大规模MIMO技术在5G中的应用研究

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5G 的主要需求之一是需要支持比LTE 网络约1000倍的更大系统容量，但是要与目前蜂窝系统有相9似的成本和能量损耗。为了满足5G 的高容量需求和高功率效率，就需要从以下三方面考虑：更宽的频谱、区域内更多基站、提升小区频谱效率。大规模多输入多输出（MIMO ）技术是5G 通信系统的核心技术，能够深度挖掘空间维度资源，大大提高了每小区的频谱效率，同时，大规模MIMO 能够将波束集中在很窄的范围内，并且大幅降低发射功率，进而降低干扰，提升功率效率。

本文从首先从大规模MIMO 技术的原理及优势进行了分析，然后介绍了大规模MIMO 技术面临的困难，最后对其典型应用场景及对5G 系统的影响进行了分析总结。

1 大规模MIMO 技术

大规模MIMO 系统通常被定义为至少在无线通信链路的一侧（通常在基站侧）配置数十乃至数百根可单独控制的天线元件系统。在基站侧的大规模MIMO 的使用示例如图1所示

：

图1 具有大规模MIMO 基站的多用户和单用户

大规模MIMO 除了用于接入链路之外，还可以再多Gb/s 回程链路方面发挥关键作用，这些回程链路可以部署再频分以及时分双工系统中的基础设施节点之间。1.1 大规模MIMO 技术原理

大规模MIMO 网络利用天线提供的空间自由度（DoF ），通过从各天线点发射相同的信号，且给每个天线施加不同的相移，可以在相同的时频资源上为多个用户复用信息，将辐射的信号聚焦到目的用户，最小化小区内和小区间干扰。

相关研究已经表明，当小区的基站天线数趋于无穷时，不同用户之间的信道将趋于正交，加性高斯白噪声、小尺度衰落等负面影响可全都忽略不计，单用户吞吐量仅受限于其他小区中采用相同导频序列的用户的干扰，系统吞吐量较传统MIMO 系统提升1个数量级以上。

MIMO 系统框图如图2所示，包含N 个发射天线，M 个接收天线。其中，发射端信号s 被分成N 路子信息流进行传输，并经过调制和射频前端处理后以相同频率分别经N 副天线同时发射出去。通过无线信道的散射传播，不同子信息流从不同路径到达接收机，由M 副天线接收，接收机采用先进的信号处理技术对各

接收信号联合处理，即可恢复出原始数据流。

图2 MIMO 系统框图

发射和接收多天线系统是大规模MIMO 无线系统的重要组成部分，其直接影响到MIMO 信道的性能。因此，实现高性能的MIMO 系统不仅依赖于多径传播的丰富度，还取决于多天线单元的合理设计。1.2 大规模MIMO 技术优势

大规模MIMO 系统应用了多天线技术，并且具有更多的发射天线和接收天线，有非常明显的优势。下面从从香农公式的角度验证分析一下大规模天线技术的优势及增益来源。香农公式如下

：

（1）实现空间复用：大规模天线技术从另一方面来讲相当于提高了香农公式的变量B 。由于大规模MIMO 系统传播信道的不相关性，多个数据流能够通过相同时频资源的不同空间传播路径进行传输，因此，可以成数十倍的扩展带宽B ，大幅提升了频谱效率。

（2）提升信噪比：各组天线通过波速赋性技术能够定向发射信号，提高信号强度，从而提高了香农公式的S/N 。信噪比的提升对于5G 中的高频段通信至关重要，能够有效克服高频段通信衰减较快问题，并且能够大幅降低时延。（3）降低发射功率，硬件成本降低：由于用户信号是经过多个发射天线的信号叠加而成，因此各天线单元仅需很小的的发射功率，有效减弱了网络干扰问题。

2 大规模MIMO 技术面临挑战

大规模天线技术作为5G 的核心技术之一，得到了学术界和工业界的高度重视，并且进行了大量研究。但是仍然存在一些挑战。其中，最大的挑战在于在发射机侧需要准确的知道信道状态信息（CSI ）。原则上，可以通过从各天线元件发射的正交导频信号（参考信号）以及从接收机到发射机反馈的空间信道信息来获得CSI 。但是该方法具有一些缺点：一是所需的CSI 的导频信号开销随着发射天线的数目呈线性增长。二是在发射机获得CSI 的的另一种方式是利用信道的互易性，而利用互易性的成本是其需要进行阵列校准以便考虑不同天线元件的发射和接收射频链中的差异。三是在时变信道中，导频传输、信道估计、信道反馈、波束成形器计算与实际波束形成的数据之间的延迟将会降低大规模MIMO 的性能，而使用信道预测技术来减少这种延迟。

大规模MIMO 的另一个挑战是对多小区多层网络设计的影响。其中一个问题是存在导频污染的影响。相关文献已经验证了

大规模MIMO 技术在5G 中的应用研究

李晓宇，王　磊，罗海港，李超杰

（中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，郑州 450000）

摘要：大规模MIMO 技术是5G 系统的核心技术之一，能够显著提升系统的容量、能耗效率及频谱效率。鉴于大规模MIMO 技术的重要性，本文对其原理、优势、面临的挑战、典型应用场景及对5G 系统的影响进行了分析研究，对5G 规划方面具有一定的指导性意义。

关键词：大规模MIMO ；5G 系统；应用场景doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.10.093中图分类号：TN929.53，TN82 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2019）10-0128-02作者简介： 李晓宇，男，1994年生，河南安阳人，硕士研究生，研究方向为宽带无线通信、5G 关键技术。

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在多天线系统中分配给导频信号和数据传输的时间、频率、码、空间和功率资源之间存在一种权衡。但是在多小区多用户大规模MIMO 系统中，导频数据资源分配权衡与导频和数据信号上的小区间干扰（也成为污染）的管理相互影响，因此就需要重新思考如何设计传统系统中的导频信号。

另外，由于天线阵列的大小，实践中的小小区密集部署导致在网络中使用大规模MIMO 比较困难。此问题已经都得到了有效解决，一种方法是在宏基站侧部署大规模MIMO ，在宏小区和小小区之间同信道部署的情况下，利用空间自由度（DoF ）降低宏小区和小小区之间的干扰；另一种方法是在小小区侧部署大规模MIMO ，特别是在高频系统中，小天线尺寸允许根据实际部署大规模天线阵列。

针对以上大规模MIMO 天线系统面临的挑战和问题，目前很多机构还在不断研究和改善不同的技术解决方案，希望充分释放大规模MIMO 系统的优势，在5G 中能够有效的使用大规模MIMO 技术。

3 大规模MIMO 技术典型应用场景

热点场景：目前经相关研究统计发现，数据业务量的特点是在20%的热点区域内承载着70%以上的数据流量。例如商业中心、交通枢纽、大学校园、居民楼等都具有同样的特点：人流密度大、话务负荷高、容量不足等。因此，大规模MIMO 技术可以依托自身优势提供较高的空间复用增益和较强的波束赋性能力，较好的改善和这些区域的高容量需求。

3D 覆盖场景：像高层建筑类场景，此类场景网络覆盖一般情况比较差，且如何增强覆盖也面临很多挑战。其一，若采用多个天线增强高层覆盖面临站点较难获取的问题；其二、信号经过穿透墙壁后会严重衰弱；其三、上行信号传输增加了建筑物中的小区间干扰。为了解决上述问题，大规模MIMO 技术可以发挥自身特点，在垂直面采用大规模天线阵列、能够明显增强对高层建筑的覆盖；同时采用波束赋性技术能够弥补穿透墙壁带来的高损耗；另外，还能够灵活的按需求对波束宽度和方向进行调整，降低小区间干扰，增强3D 场景的覆盖和容量。

4 大规模MIMO 技术对5G 系统的影响

大规模MIMO 天线技术的应用势必会给5G 系统带来很大的影响。下面主要从天线单元数量、TDD\FDD 工作模式、天线频段三方面简单介绍一下其如何对5G 系统产生影响。

天线单元数量：MIMO 系统的容量会随收发两端的天线的最小数量呈线性增长。原理上来讲，收发两端配置的天线数越多，传播信道就会拥有更高的自由度，系统就会表现出更优的性能、更高的可靠性和更大的系统容量。然而，由于其他物理条件限制，如信号处理方面的能源消耗、愈加复杂的硬件系统等，因此在实际中天线的数量也不能任意大。相关研究已经验证，在实际中，当天线数量达到某一值时，系统容量会趋于稳定。

TDD/FDD 模式：目前5G 系统的研究大部分是在TDD 模式下进行的，其与信道估计的开销大小有一定关系。对于TDD 系统，上下行传输使用相同的频段，由于信道互易性特点，只需要对上行链路进行信道估计即可。而对于FDD 信道，上下行使用的不同频段，CSI 也不同，因此就需要对其分别进行信道估计。然而若天线数量进一步增加，下行信道估计会变的极其复杂。同时，业界已经验证当在毫米波频段，会大幅度降低信道估计的开销。因此，后期有望实现大规模MIMO 和FDD 系统相结合。

天线频段：5G 系统采用的高频段通信，带宽较宽，能够显著提升系统的容量和频谱效率。但是毫米波的传播不遵循瑞利信道衰落模型，其更倾向于视距传播和近视距传播。另外，毫米波会导致更高的多普勒偏移。

5 结束语

鉴于大规模MIMO 技术在5G 系统中的重要性，本文对大规模MIMO 技术从原理、优势、挑战、应用场景、对5G 系统的影响等几个方面进行了详细的分析总结，希望对5G 的网络规划有一定的参考。参考文献

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[2] 栾帅，冯毅，张涛，等.浅析大规模MIMO 天线设计及对5G 系统的影响[J].邮电设计技术，2016（7）：28-32.

[3] 杨永辉.大规模天线的增益来源与发展现状研究[J].信息通信，2017（6）：141-143.

（上接第112页）钢板厚度约为10mm~25mm ，焊缝高度约为

12mm~18mm ，由于交叉和双面角焊缝隙较多。支架顶梁要使用290kg 的焊丝，经过多次焊接才能完成，使其焊接应力以及变形情况十分复杂。焊接变形加强控制要预防尺寸偏差，保证结构件质量。首先对下料尺寸加强控制，对零件提出公差要求，通过仿形、数控以及切割下料方式，保证尺寸精准一致。横向筋刀剪要和边结合，减少主筋间隔从而强化尺寸误差和焊接变形。要利用芯轴定位方法，待主筋气割完整下料后，使用定位钻模工装确定定位孔，保证孔位和基准面准确对应。其次使用合理顺序，在工装平台组对主筋、筋板和底板，以中心重合为原则组对。控制组补偿间隙以及收缩量，将组对间隙限制在0.1mm 内。可使用刚性支撑，界面超过30mm ×30mm 的界面要利用刚性杆件实施支撑。最后对焊接顺序加以控制，根据分段、分层以及对称施焊原则，进行焊接。对焊接电流进行合理调节，使用氩气和二氧化碳3：1比例进行气保焊。3.5 其他技术

首先可以使用计算机集成技术，也就是CIM 技术，设计机械设备要引入智能化理念，提高设计质量以及制造质量。煤矿机械设备制造系统包括人类专家和智能机器两部分，智能系统利用机械设备分析加工制造过程，对设计结果和制造决策提供依据[3]。智能制造可以实现人机一体化，不断自我学习和优化，让煤矿设备设计效率和制造质量得到提高。

其次要积极使用并行工程法，设计制造机械设备最初阶段，

要从全生命周期对成本和质量进行考虑，煤矿机械设备从设计初始阶段，就要注意TD 工艺的处理，让零部件表层形成硬化表层，通过其良好抗磨性和抗腐蚀性，强化机械部件寿命。

最后设计制造过程中，尝试引入仿真技术，利用计算机软件模拟设计结果和制造结果，及时有效的察觉设计问题，对问题进行处理，提高设计制造效率和实际效果。通过仿真技术的应用，节约大量成本，缩短设计制造总时长。

4 结论

综上所述，本文认识到在煤矿机械设计制造中引入新技术、新工艺的重要性，基于设计理念，研究了设计制造新技术及新工艺。主要包括改善齿轮表面粗糙度的工艺、焊缝跟踪技术、特大箱形井架制造技术、液压支架顶梁技术、计算机集成技术、并行工程法以及仿真技术。通过新工艺、新技术的使用，让机械设备制造和设计得以优化，提高操作人员的使用感，辅助煤矿生产，提高生产效率，为我国发展提供充足的煤炭能源支持。参考文献

[1] 杨浩.煤矿工程机械中机电一体化的科学运用研究[J].西部探矿工程，2019，31（05）：154-155.

[2] 张春昱，李红.煤矿自卸车制动器制动性能计算机仿真分析[J].煤矿机械，2019，40（04）：164-166.

[3] 李为民.自供电传感器在煤矿机械智能控制系统中的设计应用[J].科技创新与应用，2019（10）：93-94.