摘要Massive MIMO信道及容量特性综述白智龙201521010507摘要基站端配置大量天线构成的大规模多天线系统，可以进一步挖掘空间域增益，大幅度提升无线通信系统传输容量和功率效率．从理论上看，大规模多天线系统获得空间域增益的前提条件是传播环境中的各子信道满足正交条件．准确的获取无线信道信息是通信系统研究的基础，它为通信系统的链路级仿真、样机试验和标准制定提供理论基础和技术支撑．本文研究了大规模多天线无线信道的特点，总结了国内外大规模无线信道的测量与建模，研究了Massive Mimo无线信道的信道容量。
关键词无线信道；大规模多天线；信道测量；信道容量电子科技大学论文目录第一章综述 (3)1.1 研究背景 (3)1.2 MIMO综述 (4)1.3 MIMO研究中的关键问题 (4)第二章Massive MIMO信道 (6)2.1 研究现状 (6)2.2 信道测量 (6)2.3 信道容量 (7)2.4 总结 (7)摘要 (8)第一章综述第1章综述1.1研究背景现代信息社会的发展，使得宽带信息服务逐步延展到移动终端成为必然趋势，以提供语音业务为主的传统蜂窝移动通信系统，正逐步演变为向移动用户提供互联网接入以及视频和多媒体业务的宽带移动通信系统。
在过去的20年中，移动通信技术不断进步，技术标准不断演进，最新推出的第四代移动通信技术（4G）其数据业务传输速率达到每秒百兆甚至千兆比特，能够在较大程度上满足今后一段时期内宽带移动通信应用需求上。
然而，随着智能终端普及应用及移动新业务需求持续增长，无线传输速率需求呈指数增长，至2020年，无线通信的传输速率需求将是目前正在运营系统的千倍，能够支撑高达每秒千兆比特传输速率的4G移动通信系统，将仍然难以满足未来移动通信的应用需求。
另一方面，随着全球范围内移动用户数与高速数据业务应用的增长以及信息技术系统能源消耗所占比例的不断增加，降低移动通信网络系统的能源消耗已逐渐成为移动通信发展的重要需求，以支持高速率传输为主要目标的4G移动通信技术，将难以满足未来移动通信对能耗效率的需求。
因此，移动通信技术需要在4G基础上不断演进，满足超高传输速率无线通信的相关需求。
世界各国在推动4G产业化工作的同时，已开始着眼于新一代移动通信技术（5G）的研究，力求使无线移动通信系统性能和产业规模产生新的飞跃。
4G之后移动通信的发展，需要新的重大科学问题的解决和原理性的突破，在无线频谱资源日趋紧张的情况下，如何在4G基础上，将无线移动通信的频谱效率和功率效率进一步提升一个量级以上，是4G之后移动通信技术的核心所在。
4G之后移动通信发展需要在网络系统结构、组网技术及无线传输技术等方面进行新的变革，从根本上解决移动通信的频谱有效性和功率有效性问题，实现更高频谱效率和绿色无线通信的双重目标。
面向4G之后移动通信的发展，为提高无线资源利用率、改善系统覆盖性能、显著降低单位比特能耗，异构分布式协作网络技术及智能自组织组网技术得到业界更加广泛的关注。
电子科技大学论文1.2MIMO综述在分布式协作网络系统中，处于不同地理位置的节点(基站、远程天线阵列单元或无线中继站)在同一时频资源上协作完成与多个移动通信终端的通信，形成网络多输入多输出（MIMO）信道，可以克服传统蜂窝系统中MIMO技术应用的局限，在提高频谱效率和功率效率的同时，改善小区边缘的传输性能。
然而，在目前典型的节点天线个数配置和小区设置的情况卜，研究工作表明网络MIMO传输系统会出现频谱和功率效率提升的“瓶颈”问题。
为此，研究者们提出在各节点以大规模阵列天线替代目前采用的多天线，由此形成大规模MIMO无线通信环境，以深度挖掘利用空问维度无线资源，解决未来移动通信的频谱效率及功率效率问题。
大规模MIMO无线通信的基本特征是：在基站覆盖区域内配置数l一根甚至数百根以上天线，较4G系统中的4(或8)根天线数增加一个量级以上，这些天线以大规模阵列方式集中放置;分布在基站覆盖区内的多个用户，在同一时频资源上，利用基站大规模天线配置所提供的空问自由度，与基站同时进行通信，提升频谱资源在多个用户之问的复用能力、各个用户链路的频谱效率以及抵抗小区问干扰的能力，由此大幅提升频谱资源的整体利用率;与此同时，利用基站大规模天线配置所提供的分集增益和阵列增益，每个用户与基站之问通信的功率效率也可以得到进一步显著提升。
大规模MIMO无线通信通过显著增加基站侧配置天线的个数，以深度挖掘利用空问维度无线资源，提升系统频谱效率和功率效率，其所涉及的基本通信问题是:如何突破基站侧天线个数显著增加所引发的无线传输技术“瓶颈”，探寻适于大规模MIMO通信场景的无线传输技术。
1.3MIMO研究中的关键问题近两年来，大规模MIMO无线通信引起了研究者们的广泛关注，文献上出现了一些初步的相关研究工作报道，这些工作涉及传输性能分析、传输方案设计等多个方面。
从已报道的工作可见：（1）关于大规模MIMO信道的理论建模和实测建模的工作较少，还没有受到广泛认可的信道模型出现。
（2）所涉及的传输方案大都基于贝尔实验室提出的方案，即在配备单天线的第一章综述用户数目远小于基站天线个数的假设卜，通过上行链路正交导频和时分双工（TDD）系统上卜行信道互易性，基站侧获得多用户上卜行信道参数估计值，并以此实施上行接收处理和卜行预编码传输。
（3）传输方案性能分析往往假设大规模MIMO信道是理想的独立同分布（IID）信道，在此条件h，导频污染被认为是大规模MIMO系统中的“瓶颈”问题。
由此可知，大规模MIMO无线通信技术研究尚处在起步阶段，为充分挖掘其潜在的技术优势，需要探明符合典型实际应用场景的信道模型，并在实际信道模型、适度的导频开销及实现复杂性等约束条件卜，分析其可达的频谱效率和功率效率，进而探寻信道信息获取技术及最优传输技术，解决大规模MIMO无线通信所涉及的导频开销及信道信息获取“瓶颈”问题、多用户共享空问无线资源问题、系统实现复杂性问题、对中高速移动通信场景及频分双工（FDD）系统的适用性问题等。
综上所述，4G之后移动通信对频谱效率及功率效率提出了更高的要求，大规模MIMO无线通信能够深度挖掘空问维度无线资源，大幅提升无线通信频谱效率和功率效率，是支撑未来新一代宽带绿色移动通信最具潜力的研究方向之一。
电子科技大学论文第2章Massive MIMO信道本章主要对Massive MIMO信道的研究现状、信道测量及信道容量进行综述。
2.1Massive MIMO信道研究现状通信中的任何一种传输体制，信号都是经历传播信道到达接收端，只有分析和掌握信道的特点与实质，才能针对存在的问题提出解决方案，以提高通信系统的有效性、可靠性和安全性。
因此，准确认知无线信道衰落特征是无线通信系统研究的先决条件：（1）只有在充分研究和了解所设计系统的信道特性后，才能采取与之相适应的各种物理层技术，如最佳的调制方式、编码交织方式和均衡器的设计等，这些理论上性能分析和数学闭式推导必须有一个可信的信道模型，越接近于真实传播环境的信道模型所推导出的性能理论结果越接近于实际系统的性能表现，从而使理论分析的结果更加具有现实的指导意义。
（2）在无线传输新技术提出后标准化阶段，各方都需要对各待选方案综合测评。
统一、可靠和准确的信道模型直接决定了仿真结果公平性和可信性。
2.2Massive MIMO信道测量研究无线信道的传播特性时，最直接有效的方法就是实地的信道测量。
测量中获取的信道数据可以准确的反映出信道的传播特性，进一步从中提取出准确的信道模型．准确认知Massive MIMO系统的传播特性是大规模多天线系统设计、算法优化和未来网络构建的基础。
Massive MIMO技术是最近３年兴起的研究技术，现国际上主要有３个研究团队开展相关研究，分别是瑞典linkping大学larsson教授团队，印度科学理工学院Chocha教授团队，美国Rice大学教授团队，他们分别从信号处理关键技术、性能分析、天线设计和原型机等方面对Massive MIMO相关技术展开了卓有成效的研究。
对于Massive MIMO系统传播特性的研究，现处于起步阶段．前期的“准Massive MIMO”信道测量活动中，使用的天线数量相对较少，测量使用了１２副发射天线和15副接收天线，工作频点是1.95GHz，激励信号带宽30kHz，其中主要研究了室内强LOS和弱LOS场景下的传播特性，包括了信道空间相关性对MIMO信道容量的影响。
使用16*16天线阵列开展了2.11GHz频段的室外信道测量，分析到达角和多普勒特征．上述测量活动是窄带信号的信道测量。
2.3信道容量在传统MIMO系统中，对于分别配有n l根发射天线和n t根接收天线的MIMO 信道，发射端在不知道传输信道状态信息的条件下，当信道的幅度固定，信道容量可写成幅度固定，信道容量可写成：从信道传播特性和大规模多天线无线信道及容量特性研究矩阵论原理看，传播信道存在极端特殊情况。
当多天线信道中仅存在直射径（LOS）时：信道矩阵H 的奇异值集合中仅一个元素不为０，其余元素全为０；当多天线信道为富散射环境时，信道矩阵H的奇异值集合中的所有元素均相等。
针对上述两种极限情况，点对点ＭＩＭＯ系统信道容量上下界可写成：2.4总结Massive MIMO有望成为未来第五代移动通信的关键技术。
目前，国内外学术界和产业界对于该技术正开展相关研究和性能评估。
无线信道是通信系统研究和优化的基础，它为通信系统设计和原型机开发提供理论基础。
本文对Massive MIMO系统信道容量和关键问题进行了总结性综述。
电子科技大学论文参考文献[1]刘留.大规模多天线无线信道及容量特性研究[D].北京交通大学,2015年4月[2]尤力. 大规模MIMO无线通信关键技术[D].东南大学,2014年5月[3]尤肖虎. 5G移动通信发展趋势与若干关键技术[D].东南大学,2014年5月。
