分布式MIMO與無(wú)蜂窩移動(dòng)通信解析

多輸入多輸出（multiple input multiple output ，MIMO） 無(wú)線傳輸技術(shù)開(kāi)啟了移動(dòng)通信系統(tǒng)空間資源開(kāi)發(fā)利用的新紀(jì)元。從理論上來(lái)說(shuō)，它將傳統(tǒng)香農(nóng)信息論研究的對(duì)象從標(biāo)量信道拓展至矢量信道，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)突破了 “ 時(shí)間- 頻率 ” 二維資源的限制，走上了 “ 空間- 時(shí)間- 頻率 ” 三維資源開(kāi)發(fā)利用的發(fā)展新途徑，并可使研究人員利用全新的自由度，進(jìn)一步拓展移動(dòng)通信新理論與新方法，特別是基于 “ 空間- 時(shí)間- 頻率 ” 三維資源的多用戶MIMO 無(wú)線通信方法。從工程實(shí)踐上說(shuō)，通過(guò)在基站及移動(dòng)終端引入多個(gè)天線，移動(dòng)通信系統(tǒng)容量得以顯著提升；特殊條件下，其系統(tǒng)容量可隨基站天線數(shù)或多用戶終端天線總數(shù)二者中的最小數(shù)而線性增長(zhǎng)。正因?yàn)槿绱?，多用戶MIMO（multi-user MIMO，MU-MIMO） 或多用戶大規(guī)模MIMO無(wú)線傳輸技術(shù)已成為4G 及5G 移動(dòng)通信提升頻譜效率、拓展系統(tǒng)容量最為重要的手段之一，并將在未來(lái)移動(dòng)通信的演進(jìn)發(fā)展過(guò)程中爆發(fā)出更為旺盛的生命力。這有力地回應(yīng)了一度甚囂塵上的有關(guān)移動(dòng)通信物理層研究已走向盡頭的悲觀論調(diào)。

分布式MIMO（distributed MIMO， D-MIMO） 是在經(jīng)典MIMO 無(wú)線傳輸技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它在移動(dòng)通信無(wú)線傳輸與組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展中扮演著 “ 承前啟后 ”的基礎(chǔ)性作用，且近年來(lái)新興的無(wú)線傳輸與組網(wǎng)大多是其特殊形式或者拓展形式。具體來(lái)說(shuō)：

首先，分布式MIMO 是經(jīng)典MIMO 無(wú)線傳輸技術(shù)的更為一般化形式。與經(jīng)典MIMO 不同，分布式MIMO 的天線單元處于不同的地理位置，因而其理論分析與工程實(shí)踐更具挑戰(zhàn)性。更為重要的是，分布式MIMO 拓展了經(jīng)典MIMO 的應(yīng)用范疇，它不但可以應(yīng)用于單小區(qū)蜂窩基站系統(tǒng)，還可以進(jìn)一步取代多小區(qū)蜂窩基站，以分布式MU-MIMO 形式，構(gòu)成無(wú)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。后者在同時(shí) – 同頻條件下為所有用戶提供服務(wù)，無(wú)需進(jìn)行傳統(tǒng)意義上的小區(qū)間頻率規(guī)劃，系統(tǒng)資源可全維度動(dòng)態(tài)利用，顯著改善系統(tǒng)資源配置的靈活性，大幅度提升無(wú)線資源利用率。讀者可在《分布式MIMO 與無(wú)蜂窩移動(dòng)通信》的第一章和第二章找到這方面更為全面的論述。

其次，分布式MIMO 還可進(jìn)一步演變?yōu)楦鼮閺?fù)雜的無(wú)線組網(wǎng)方式。傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)的上下行無(wú)線鏈路是以相互獨(dú)立或相互正交的方式而設(shè)計(jì)的。近年來(lái)，為了適應(yīng)無(wú)線資源動(dòng)態(tài)調(diào)配的需求，已發(fā)展出了靈活雙工和全雙工等全新的無(wú)線資源復(fù)用方式。這時(shí)上下行無(wú)線鏈路呈現(xiàn)出相互耦合的表現(xiàn)形式，系統(tǒng)模型可演變?yōu)樯舷滦墟溌否詈系姆植际組IMO 及無(wú)蜂窩無(wú)線組網(wǎng)方式。有關(guān)該方面進(jìn)一步的描述，讀者可參見(jiàn)第八章。

第三，分布式MIMO 是業(yè)界流行的多種無(wú)線組網(wǎng)方式的簡(jiǎn)化形式。無(wú)線中繼和超密集網(wǎng)絡(luò)（ 或small cell） 是近年來(lái)關(guān)注度較高的無(wú)線組網(wǎng)方式。對(duì)于無(wú)線中繼，若采用帶外（out band） 中繼方式，則其本身等同于分布式MIMO ；反之，若采用帶內(nèi)（in band） 中繼方式，則分布式MIMO 的容量是其性能上限。相對(duì)于超密集網(wǎng)絡(luò)，若分布式MIMO 各個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立進(jìn)行信號(hào)收發(fā)處理，則兩者完全等同。更為詳細(xì)的討論，讀者可參見(jiàn)第一章。有關(guān)基于分布式MIMO 的無(wú)蜂窩網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)蜂窩超密集網(wǎng)絡(luò)的容量性能分析與對(duì)比將在第四章中給出。

東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是世界上最早從事分布式MIMO 移動(dòng)通信無(wú)線傳輸研究與試驗(yàn)驗(yàn)證的研究單位之一，相關(guān)工作可追溯至2004 年前后。該實(shí)驗(yàn)室牽頭承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目和國(guó)家863 計(jì)劃重大項(xiàng)目，其目標(biāo)是在3.5GHz 以上的較高頻段上，探索移動(dòng)通信大容量密集覆蓋的基本原理與方法，并開(kāi)展相關(guān)技術(shù)可行性試驗(yàn)與系統(tǒng)測(cè)試。經(jīng)10 多年的持續(xù)研究與實(shí)踐，已逐步積累了較為豐富的理論知識(shí)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，涉及分布式MIMO 的建模與信息容量解析方法、小區(qū)邊緣效應(yīng)度量及理論計(jì)算、頻譜效率閉式求解與效能優(yōu)化、基于統(tǒng)計(jì)信息的容量逼近與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法等。這一期間，該實(shí)驗(yàn)室與英國(guó)Kent 大學(xué)王江舟教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組進(jìn)行了長(zhǎng)期密切合作。本書目的之一，就是對(duì)這一領(lǐng)域的前期若干重要研究成果進(jìn)行較為完整的概括與總結(jié)。

本書力求將一系列看似極為繁復(fù)的分析方法，以盡可能統(tǒng)一且盡可能簡(jiǎn)潔的方式進(jìn)行描述。讀者僅需掌握隨機(jī)過(guò)程與信息論及線性代數(shù)基礎(chǔ)理論，便可從總體上把握分布式MIMO 與無(wú)蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的總體脈絡(luò)。這體現(xiàn)在：

引入統(tǒng)一的建模方法，詳見(jiàn)第一章、第二章及第四章中涉及的分布式MIMO系統(tǒng)模型，涵蓋多用戶、多小區(qū)等常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景，經(jīng)典MIMO 僅是其中的一種簡(jiǎn)化方式，無(wú)蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)則是其一種特殊應(yīng)用形式。對(duì)于新型的網(wǎng)絡(luò)輔助全雙工方式，其上下行鏈路存在一定的耦合或干擾，在無(wú)蜂窩配置條件下，其模型是上述建模方法的推廣形式，詳見(jiàn)第八章。

引入統(tǒng)一的信道模型，涵蓋經(jīng)典MIMO 以及多用戶MIMO ，并考慮收發(fā)兩端天線之間的耦合特性，詳見(jiàn)第一章。當(dāng)信道存在多徑時(shí)延擴(kuò)展時(shí)，通過(guò)正交頻分復(fù)用（OFDM） 處理后，該基本信道模型仍然適用，詳見(jiàn)第七章。

引入統(tǒng)一的容量模型，建立MIMO（ 向量信道） 與傳統(tǒng)單輸入單輸出（single input single output ，SISO ，標(biāo)量信道） 之間的關(guān)系，詳見(jiàn)第一章和第二章；建立與用戶位置有關(guān)的瞬態(tài)與平均信道容量、中斷容量、區(qū)域平均容量、區(qū)域中斷容量等常見(jiàn)分析方法的相互關(guān)系，詳見(jiàn)第二章；在上述容量模型的基礎(chǔ)上，探討分布式MIMO 各種典型配置場(chǎng)景下的最優(yōu)功率分配和能量效率優(yōu)化問(wèn)題，包括多用戶、多小區(qū)以及無(wú)蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，詳見(jiàn)第五章。

鑒于信道信息獲取是限制分布式大規(guī)模MIMO 應(yīng)用的瓶頸因素，需要引入導(dǎo)頻復(fù)用技術(shù)以減少資源的開(kāi)銷。此時(shí)，信道信息獲取的非理想特性，也即導(dǎo)頻污染，將對(duì)系統(tǒng)的性能形成制約。在第三章中，對(duì)此關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了較為完整的分析，并引入了收發(fā)天線數(shù)充分多時(shí)，典型接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)極限性能。

無(wú)線緩存是移動(dòng)通信領(lǐng)域近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在第六章中，針對(duì)分布式MIMO 網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，給出了無(wú)線緩存的基本模型，提出了性能優(yōu)越且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的緩存方案及優(yōu)化算法，從而探討了分布式MIMO 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源有效利用的一種新途徑。

計(jì)算復(fù)雜度隨天線的規(guī)模增加而大幅增加，是限制分布式MIMO 及無(wú)蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)走向應(yīng)用的另一個(gè)主要瓶頸。在第七章中，結(jié)合5G 移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)用，給出了低復(fù)雜度的接收機(jī)與發(fā)射機(jī)聯(lián)合設(shè)計(jì)，其核心是利用統(tǒng)計(jì)信息對(duì)多用戶MIMO問(wèn)題進(jìn)行解耦，并最終將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多個(gè)獨(dú)立并行的單用戶處理問(wèn)題。

云化處理是近年來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)主流趨勢(shì)，愈來(lái)愈多的網(wǎng)絡(luò)功能將通過(guò)數(shù)據(jù)中心以虛擬化的方式加以實(shí)現(xiàn)。在第九章中，引入了基于以太交換機(jī)及通用眾核服務(wù)器的5G 移動(dòng)通信云構(gòu)架實(shí)現(xiàn)方法，介紹了分布式大規(guī)模MIMO 無(wú)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的高速并行編程及實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)方法，提出了無(wú)線節(jié)點(diǎn)同步、上下行鏈路互易性校正等關(guān)鍵問(wèn)題的解決方法，并通過(guò)典型場(chǎng)景下的試驗(yàn)測(cè)試，表明基于分布式大規(guī)模MIMO 的無(wú)蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)極具發(fā)展?jié)撃堋?/p>

在本書即將完稿之際，要特別感謝國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、創(chuàng)新群體項(xiàng)目以及國(guó)家863 計(jì)劃4G 和5G 重大項(xiàng)目的持續(xù)性支持。正是得益于上述支持，分布式MIMO 理論與方法的研究能得以長(zhǎng)期深入持續(xù)，輔以系統(tǒng)性的測(cè)試驗(yàn)證，并得以向工業(yè)界推廣。特別值得一提的是，圍繞分布式MIMO 這一新興研究方向，東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的眾多研究人員進(jìn)行了長(zhǎng)期卓絕的努力，貢獻(xiàn)了極為豐富的成果。鑒于作者精力有限，未能在本書中對(duì)他們的成果逐一涉及，謹(jǐn)在此向他們致以崇高的敬意！