MIMO的主要應(yīng)用場景介紹

智能手機和平板電腦的激增所帶來的日益增長的遠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)演進的無線通信技術(shù)中，MIMO將進一步發(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)，它只是將一個單元劃分為多個扇區(qū)，從而增加網(wǎng)絡(luò)容量。通過允許一個eNB服務(wù)三個120°扇區(qū)或六個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)之間的干擾為代價的。因此，需要更有效的技術(shù)來進一步提高可實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)容量。

如圖1所示，通過水平進行高選擇性角波束形成，可以實現(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)可以進一步劃分為內(nèi)扇區(qū)和外扇區(qū)，每個扇區(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，是因為天線陣列（AA）中每個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。這個過程可以在時域（TD）或頻域（FD）中進行。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，因為從分布式天線到達每個UE的信號受獨立的大規(guī)模隨機衰落水平的影響，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)干擾來實現(xiàn)這些增益可能是一個挑戰(zhàn)，特別是在小區(qū)內(nèi)有幾十個甚至數(shù)百個射頻拉遠單元（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，因此不具有實用性。為了在達到的性能和施加的開銷之間達成優(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而不是競爭。例如一些文獻提出的由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)計結(jié)構(gòu)。它通常由多種類型的無線接入節(jié)點組成，例如，一個macroc -cell eNB （MeNB）和多個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menb。一般來說，無線回程比有線回程更可取，因為易于部署。在這種情況下，在HetNet中，MeNB上使用了一個巨大的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.熱點覆蓋

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，大部分的遠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 熱點覆蓋示意圖

3.動態(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的強干擾，在擴展范圍內(nèi)的UE以某種方式被迫接觸到小的cell，可能會經(jīng)歷低SINR。這可能會導(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)，通過時域協(xié)調(diào)來減少MeNB的干擾。也就是說，服務(wù)質(zhì)量（QoS）的性能以犧牲多路復(fù)用增益為代價提高了擴展范圍內(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)地擴大或縮小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)作通過擴大協(xié)調(diào)的分布式天線數(shù)量，能夠進一步提高覆蓋范圍和可實現(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（如建筑物）的覆蓋率。此外，HetNet中的小區(qū)半徑是動態(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，以提高可達容量和吞吐量。然而，在實際的網(wǎng)絡(luò)部署中，仍然需要大量的研究。