MIMO的主要應(yīng)用場景介紹

智能手機(jī)和平板電腦的激增所帶來的日益增長的遠(yuǎn)程通信流量超過了無線通信網(wǎng)絡(luò)容量的增長。此外，它還導(dǎo)致二氧化碳排放量大幅增加。

作為一種強(qiáng)有力的對策，在信道矩陣滿秩的情況下，MIMO技術(shù)有可能在適當(dāng)增加天線數(shù)量的情況下線性增加容量或減少發(fā)射功率。在5G和后續(xù)演進(jìn)的無線通信技術(shù)中，MIMO將進(jìn)一步發(fā)展。

本文針對MIMO的主要應(yīng)用場景做簡要介紹。

應(yīng)用場景的定義是研究的一個(gè)重要步驟，可為關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)提供指導(dǎo)。如下表所示，所有這些不同網(wǎng)絡(luò)部署下的場景大致可以分為兩種類型，即Case 1 ：只有宏站部署的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HomoNet）和Case2：具有宏站和小站的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）。

典型應(yīng)用場景

下面我們分別來看看同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景。

同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景

1.Multi-Layer分區(qū)

隨著城市環(huán)境中終端數(shù)量和承載的遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)的增加，需要增加系統(tǒng)容量以滿足客戶需求。

傳統(tǒng)上，功能分區(qū)技術(shù)用于向不斷增長的人口提供服務(wù)，它只是將一個(gè)單元?jiǎng)澐譃槎鄠€(gè)扇區(qū)，從而增加網(wǎng)絡(luò)容量。通過允許一個(gè)eNB服務(wù)三個(gè)120°扇區(qū)或六個(gè)60°扇區(qū)，也可以降低設(shè)備成本。然而，盡管扇區(qū)化能夠改善區(qū)域帶寬效率（BE），但這種好處是由于以犧牲非理想扇區(qū)-天線模式而可能增加扇區(qū)之間的干擾為代價(jià)的。因此，需要更有效的技術(shù)來進(jìn)一步提高可實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)容量。

如圖1所示，通過水平進(jìn)行高選擇性角波束形成，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的精確扇形，可以減少扇形之間的干擾。此外，通過調(diào)整三維波束形成的仰角，可以改變各波束的覆蓋范圍。這樣，傳統(tǒng)的固定扇區(qū)可以進(jìn)一步劃分為內(nèi)扇區(qū)和外扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)都可以由水平方向相同但仰角不同的三維波束賦形（BF）服務(wù)。相同頻率的無線電資源被所有扇區(qū)重用，這能夠顯著增加服務(wù)的終端數(shù)量和/或提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

圖1 Multi-Layer分區(qū)示意圖

2.自適應(yīng)波束賦形

固定BF之所以被稱為固定BF，是因?yàn)樘炀€陣列（AA）中每個(gè)元素的信號相乘的權(quán)重在操作過程中保持不變。相反，自適應(yīng)BF的權(quán)值會(huì)根據(jù)接收到的信號不斷更新，以抑制空間干擾，如圖2所示。這個(gè)過程可以在時(shí)域（TD）或頻域（FD）中進(jìn)行。與二維（2D）自適應(yīng)BF相比，三維（3D）BF在空間域的無線電資源復(fù)用方面具有更大的靈活性。

圖2 自適應(yīng)波束賦形示意圖

3.大規(guī)模協(xié)作

現(xiàn)有的大多數(shù)關(guān)于大規(guī)模MIMO的研究都顯示了在一個(gè)單一基站上安裝大量天線的共存部署方案的不同好處。然而，這種協(xié)同部署對其硬件設(shè)計(jì)和現(xiàn)場部署都帶來了挑戰(zhàn)。另一方面，與空間分離天線相關(guān)的分布式天線系統(tǒng)（DAS）已被設(shè)想為使用適當(dāng)數(shù)量的天線來提高室內(nèi)覆蓋。最近的研究表明，DAS除了改善其覆蓋范圍外，還能夠顯著增加網(wǎng)絡(luò)的BE，即使在存在小區(qū)間干擾（ICI）。這促使研究人員識別如圖3所示的特定場景，其中大規(guī)模MIMO與分布式架構(gòu)相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)優(yōu)于依賴于共位置部署的系統(tǒng)。

圖3 大規(guī)模協(xié)作示意圖

分布式大規(guī)模MIMO的優(yōu)勢是可信的，因?yàn)閺姆植际教炀€到達(dá)每個(gè)UE的信號受獨(dú)立的大規(guī)模隨機(jī)衰落水平的影響，從而導(dǎo)致其潛在的容量增益超過其對應(yīng)的值。然而，通過協(xié)調(diào)小區(qū)內(nèi)干擾來實(shí)現(xiàn)這些增益可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，特別是在小區(qū)內(nèi)有幾十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）的情況下。雖然充分協(xié)作是消除小區(qū)內(nèi)干擾的一種有效方法，但由于它高度依賴于完全信道狀態(tài)信息（CSI）共享，因此不具有實(shí)用性。為了在達(dá)到的性能和施加的開銷之間達(dá)成優(yōu)雅的平衡，在這種情況下，高效的大規(guī)模協(xié)作方案是非常重要的。

此外，分布式大規(guī)模MIMO和小型單元部署可能被視為互補(bǔ)而不是競爭。例如一些文獻(xiàn)提出的由DAS和皮站蜂窩-宏站蜂窩底層系統(tǒng)組成的協(xié)同蜂窩體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)展到與分布式大規(guī)模MIMO協(xié)同工作。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景

1.無線回傳

在能耗和面積帶寬效率方面，具有密集small cell的HetNet被認(rèn)為是一種很有前途的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。它通常由多種類型的無線接入節(jié)點(diǎn)組成，例如，一個(gè)macroc -cell eNB （MeNB）和多個(gè)small-cell eNB （SeNB），如pico， femto和中繼eNB。所有senb需要通過有線或無線回程連接到他們的捐贈(zèng)menb。一般來說，無線回程比有線回程更可取，因?yàn)橐子诓渴?。在這種情況下，在HetNet中，MeNB上使用了一個(gè)巨大的MIMO，它有很高的自由度支持多種無線回傳。

如圖4所示，相同的頻譜可以在無線回程、宏蜂窩終端（MUE）和小蜂窩終端（SUE）的訪問中重復(fù)使用。換句話說，SeNB可以被視為一種通過無線回程與MeNB通信的特殊終端。由于eNB的位置通常是固定的，無線回程的信道可能是準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)變的。因此，MeNB能夠通過預(yù)編碼的方式消除無線回程與MUE之間的干擾。

圖4 無線回傳圖示

2.熱點(diǎn)覆蓋

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，大部分的遠(yuǎn)程通信來源于建筑物，如超市、辦公樓、體育館等。因此， 對于HetNet來說，高質(zhì)量的建筑的室內(nèi)覆蓋被認(rèn)為是最關(guān)鍵的場景之一。由于遠(yuǎn)程通信是在建筑物的不同高度產(chǎn)生的，傳統(tǒng)的采用固定Downlink （DL）傾斜的AA，主要用于UE在街道層面漫游，不再適合這種場景。大型AA能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整波束的方位角和俯仰角。它可以將光束直接傳輸?shù)浇ㄖ锊煌瑯菍拥慕K端，從而顯著提高系統(tǒng)吞吐量。然而，當(dāng)建筑的室內(nèi)覆蓋由MeNB提供一個(gè)巨大的AA，可調(diào)節(jié)范圍俯仰角比SeNB小，角度分辨率不能滿足UE的需求，如圖5所示。眾所周知，SeNB和SUE之間的近距離可以減少路徑損失。因此，配備大規(guī)模AA的SeNB更適合內(nèi)置覆蓋率，前提是部署成本是可接受的。

圖5 熱點(diǎn)覆蓋示意圖

3.動(dòng)態(tài)小區(qū)

由于在HetNet中，從MeNB收集到的參考信號接收功率（Reference Signal Received Power， RSRP）通常要高于從SeNB收集到的RSRP，因此可能會(huì)有更多的終端連接到MeNB，導(dǎo)致大cell和小cell之間潛在的流量分布不平衡。小區(qū)范圍擴(kuò)展（CRE）技術(shù)可用于將通信量從宏小區(qū)轉(zhuǎn)移到小小區(qū)。然而，由于受到MeNB的強(qiáng)干擾，在擴(kuò)展范圍內(nèi)的UE以某種方式被迫接觸到小的cell，可能會(huì)經(jīng)歷低SINR。這可能會(huì)導(dǎo)致他們之間不可靠的通信SeNB。為了解決這一問題，可以采用幾乎空白子幀（ABS）技術(shù)，通過時(shí)域協(xié)調(diào)來減少M(fèi)eNB的干擾。也就是說，服務(wù)質(zhì)量（QoS）的性能以犧牲多路復(fù)用增益為代價(jià)提高了擴(kuò)展范圍內(nèi)的多路等效系數(shù)。

通過在seNB中引入大量的原子吸收信號，發(fā)射信號的下傾角可調(diào)，獲得了較好的接收質(zhì)量。如圖6所示，它有助于自適應(yīng)地?cái)U(kuò)大或縮小cell的半徑，即Dynamic cell。因此，位于小cell邊緣的UE可以根據(jù)其接收功率等級選擇自適應(yīng)連接到SeNB。它適用于擴(kuò)展范圍內(nèi)的宏小區(qū)和小小區(qū)之間的流量平衡。

圖6 動(dòng)態(tài)小區(qū)示意圖

總結(jié)

本文將大規(guī)模MIMO的典型應(yīng)用場景分為兩類，即具有大規(guī)模MIMO的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。前者僅采用宏站部署，包括多層分區(qū)、自適應(yīng)波束形成和大規(guī)模協(xié)作。多層扇區(qū)能夠通過分割扇區(qū)來增加復(fù)用增益。自適應(yīng)波束形成利用極窄的波束將輻射能量聚焦到期望方向，能夠提高終端的期望信噪比，同時(shí)減少對其他終端的干擾。與傳統(tǒng)的DAS技術(shù)相比，大規(guī)模協(xié)作通過擴(kuò)大協(xié)調(diào)的分布式天線數(shù)量，能夠進(jìn)一步提高覆蓋范圍和可實(shí)現(xiàn)吞吐量。

在具有大量MIMO的HomoNet的情況下，有三種典型的應(yīng)用場景。首先，在MeNB和SeNB之間采用大規(guī)模MIMO的無線回程比有線回程更靈活，成本更低。然后，具有巨大AA的SeNB能夠自適應(yīng)調(diào)整方位角和仰角，以提高室內(nèi)熱點(diǎn)（如建筑物）的覆蓋率。此外，HetNet中的小區(qū)半徑是動(dòng)態(tài)可調(diào)的，可以通過改變仰角來平衡MeNB和SeNB之間的負(fù)載。

基于以上討論，大規(guī)模MIMO有望應(yīng)用于多種場景，以提高可達(dá)容量和吞吐量。然而，在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)部署中，仍然需要大量的研究。