5G 通信系統(tǒng) massive MIMO-FBMC 技術(shù)綜述

摘要 為了應(yīng)對第五代移動通信（5G）中更高數(shù)據(jù)率和更低時延的需求，大規(guī)模MIMO

（massive multiple-input multiple-output）技術(shù)已經(jīng)被提出并被廣泛研究。大規(guī)模 MIMO技術(shù)能大幅度地提升多用戶網(wǎng)絡(luò)的容量。而在5G中的帶寬研究方面，特別 是針對碎片頻譜和頻譜靈活性問題，現(xiàn)有的正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）技術(shù)不可能應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)，新的波形方案需要 被設(shè)計出來。基于此，FBMC（filter bank multicarrier）技術(shù)由于具有比OFDM低 得多的帶外頻譜泄露而被受到重視，并已被標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)組IMT-2020列為5G物理層 的主要備選方案之一。

本文首先回顧了5G中波形設(shè)計方案（主要是FBMC調(diào)制）和大規(guī)模多天線系 統(tǒng)（即massive MIMO）的現(xiàn)有工作和主要挑戰(zhàn)。然后，簡要介紹了基于Massive MIMO的FBMC系統(tǒng)中的自均衡性質(zhì)，該性質(zhì)可以用于減少系統(tǒng)所需的子載波數(shù) 目。同時，FBMC中的盲信道跟蹤性質(zhì)可以用于消除massive MIMO系統(tǒng)中的導(dǎo)頻 污染問題。盡管如此，如何將FBMC技術(shù)應(yīng)用于massive MIMO系統(tǒng)中的誤碼率、 計算復(fù)雜度、線性需求等方面仍然不明確，未來更多的研究工作需要在massive MIMO-FBMC方面展開來。

關(guān)鍵詞：大規(guī)模MIMO；FBMC；自均衡；導(dǎo)頻污染；盲均衡

目  錄

摘  要............................................................................................................................ I

Abstract........................................................................................................................ II

1      引言....................................................................................................................... 1

2      技術(shù)背景簡介...................................................................................................... 3

2.1   massive MIMO 技術(shù).................................................................................... 3

2.1.1 Massive MIMO 的引入....................................................................... 3

2.1.2 點(diǎn)對點(diǎn) MIMO..................................................................................... 4

2.1.3 多用戶 MIMO(MU-MIMO)............................................................... 6

2.2   FBMC 技術(shù).................................................................................................. 7

3      massive MIMO-FBMC 的結(jié)合問題............................................................... 10

3.1    信道均衡問題............................................................................................ 10

3.2    導(dǎo)頻污染問題............................................................................................ 11

4      結(jié)語..................................................................................................................... 13

參考文獻(xiàn).................................................................................................................... 14

1 引言

Massive MIMO（又稱 large scale MIMO）技術(shù)，是指基站端采用大規(guī)模天線 陣列，天線數(shù)超過十根甚至上百根，并且在同一時頻資源內(nèi)服務(wù)多個用戶的多天 線技術(shù)，該技術(shù)由貝爾實驗室的 Marzetta 于 2010 年首次提出，目前已成為 5G 無線通信領(lǐng)域最具潛力的研究方向之一[1,2]。與傳統(tǒng)的 MIMO 相比，Massive MIMO 不同之處主要在于，天線趨于很多（無窮）時信道之間趨于正交，這使得 系統(tǒng)的很多性能都只與大尺度相關(guān)，與小尺度無關(guān)。特別是在 TDD 大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)中，基站可以通過反向鏈路的導(dǎo)頻序列來估計出下行鏈路的信道狀態(tài)信息

（CSI），無需基站間協(xié)作，僅采用簡單的預(yù)處理即可降低小區(qū)間和用戶間干擾， 并且非相關(guān)的加性噪聲和快衰落隨著天線數(shù)的無限增加而消失[3]。

Marzetta 等人在研究 massive MIMO 時，均使用 OFDM 技術(shù)將移動用戶和基 站多天線之間的頻率選擇性信道變成一系列的平坦衰落信道。傳統(tǒng)的 OFDM 雖 然能達(dá)到很小的復(fù)雜度和非常高的帶寬效率，但在應(yīng)用到更復(fù)雜的動態(tài)或多用戶 網(wǎng)絡(luò)中時，卻存在難以實現(xiàn)嚴(yán)格同步（移動環(huán)境下的多普勒效應(yīng)）和非連續(xù)頻帶 的傳輸（譜泄漏嚴(yán)重）兩大主要問題，而濾波器組多載波（Filter Bank Multicarrier， FBMC）技術(shù)通過使用時頻聚焦性良好的濾波器解決了上述問題[4]。與 OFDM 技 術(shù)不同，FBMC 中：

1）原型濾波器的沖擊響應(yīng)和頻率響應(yīng)可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計，各載波之間 不再必須是正交的，不需要插入循環(huán)前綴，從而獲得了更高的帶寬效率；

2）能實現(xiàn)各子載波帶寬設(shè)置、各子載波之間的交疊程度的靈活控制，從而 可靈活控制相鄰子載波之間的干擾，并且便于使用一些零散的頻譜資源；

3）各子載波之間不需要同步，同步、信道估計、檢測等可在各子載波上單 獨(dú)進(jìn)行處理，因此尤其適合于難以實現(xiàn)各用戶之間嚴(yán)格同步的上行鏈路。

FBMC 作為 OFDM 的備選技術(shù)之一，已被證明能很好的適用于認(rèn)知無線電 通信、雙色散信道通信、數(shù)字用戶線（DSLs）和電力線通信（PLC）[5]，具有較 強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿�，但關(guān)于將 FBMC 作為 Massive MIMO 系統(tǒng)調(diào)制方案的研究才剛剛開始[6]。本文主要對 massive MIMO-FBMC 現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行調(diào)研，旨在為未來

massive MIMO-FBMC 的研究提供思路。

2 技術(shù)背景簡介

2.1  massive MIMO 技術(shù)

大規(guī)模 MIMO 技術(shù)是指基站端采用大規(guī)模天線陣列，天線數(shù)超過十根甚至 上百根，并且在同一時頻資源內(nèi)服務(wù)多個用戶的多天線技術(shù)。與傳統(tǒng)的 MIMO 相比，大規(guī)模 MIMO 不同之處主要在于，天線趨于很多（無窮）時信道之間趨 于正交，這使得系統(tǒng)的很多性能都只與大尺度相關(guān)，與小尺度無關(guān)。并且，在 TDD 大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)中，基站可以通過反向鏈路的導(dǎo)頻序列來估計出下行鏈 路的信道狀態(tài)信息（CSI），無需基站間協(xié)作，僅采用簡單的預(yù)處理即可降低小區(qū) 間和用戶間干擾。同時，非相關(guān)的加性噪聲和快衰落隨著天線數(shù)的無限增加而消 失。

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5G通信系統(tǒng)中massive-MIMO-FBMC技術(shù)的結(jié)合概述.docx