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分布式 MIMO 与无蜂窝移动通信​

已有 1421 次阅读 2020-4-14 11:19 |系统分类:论文交流

多输入多输出 (multiple input multiple output , MIMO) 无线传输技术开启了移动通信系统空间资源开发利用的新纪元。从理论上来说,它将传统香农信息论研究的对象从标量信道拓展至矢量信道,使系统设计突破了 “ 时间 - 频率 ” 二维资源的限制,走上了 “ 空间 - 时间 - 频率 ” 三维资源开发利用的发展新途径,并可使研究人员利用全新的自由度,进一步拓展移动通信新理论与新方法,特别是基于 “ 空间- 时间 - 频率 ” 三维资源的多用户 MIMO 无线通信方法。从工程实践上说,通过在基站及移动终端引入多个天线,移动通信系统容量得以显著提升;特殊条件下,其系统容量可随基站天线数或多用户终端天线总数二者中的最小数而线性增长。正因为如此,多用户 MIMO(multi-user MIMO,MU-MIMO) 或多用户大规模 MIMO无线传输技术已成为 4G 及 5G 移动通信提升频谱效率、拓展系统容量最为重要的手段之一,并将在未来移动通信的演进发展过程中爆发出更为旺盛的生命力。这有力地回应了一度甚嚣尘上的有关移动通信物理层研究已走向尽头的悲观论调。

 

分布式 MIMO(distributed MIMO, D-MIMO) 是在经典 MIMO 无线传输技术基础上发展起来的,它在移动通信无线传输与组网技术发展中扮演着 “ 承前启后 ”的基础性作用,且近年来新兴的无线传输与组网大多是其特殊形式或者拓展形式。具体来说:

 

首先,分布式 MIMO 是经典 MIMO 无线传输技术的更为一般化形式。与经典MIMO 不同,分布式 MIMO 的天线单元处于不同的地理位置,因而其理论分析与工程实践更具挑战性。更为重要的是,分布式 MIMO 拓展了经典 MIMO 的应用范畴,它不但可以应用于单小区蜂窝基站系统,还可以进一步取代多小区蜂窝基站,以分布式 MU-MIMO 形式,构成无蜂窝移动通信系统。后者在同时 – 同频条件下为所有用户提供服务,无需进行传统意义上的小区间频率规划,系统资源可全维度动态利用,显著改善系统资源配置的灵活性,大幅度提升无线资源利用率。读者可在《分布式 MIMO 与无蜂窝移动通信》的第一章和第二章找到这方面更为全面的论述。

 

其次,分布式 MIMO 还可进一步演变为更为复杂的无线组网方式。传统移动通信系统的上下行无线链路是以相互独立或相互正交的方式而设计的。近年来,为了适应无线资源动态调配的需求,已发展出了灵活双工和全双工等全新的无线资源复用方式。这时上下行无线链路呈现出相互耦合的表现形式,系统模型可演变为上下行链路耦合的分布式 MIMO 及无蜂窝无线组网方式。有关该方面进一步的描述,读者可参见第八章。

 

第三,分布式 MIMO 是业界流行的多种无线组网方式的简化形式。无线中继和超密集网络 ( 或 small cell) 是近年来关注度较高的无线组网方式。对于无线中继,若采用带外 (out band) 中继方式,则其本身等同于分布式 MIMO ;反之,若采用带内 (in band) 中继方式,则分布式 MIMO 的容量是其性能上限。相对于超密集网络,若分布式 MIMO 各个节点独立进行信号收发处理,则两者完全等同。更为详细的讨论,读者可参见第一章。有关基于分布式 MIMO 的无蜂窝网络与传统蜂窝超密集网络的容量性能分析与对比将在第四章中给出。

 

东南大学移动通信国家重点实验室是世界上最早从事分布式 MIMO 移动通信无线传输研究与试验验证的研究单位之一,相关工作可追溯至 2004 年前后。该实验室牵头承担了国家自然科学基金重大项目和国家 863 计划重大项目,其目标是在 3.5GHz 以上的较高频段上,探索移动通信大容量密集覆盖的基本原理与方法,并开展相关技术可行性试验与系统测试。经 10 多年的持续研究与实践,已逐步积累了较为丰富的理论知识、系统实现与试验经验,涉及分布式 MIMO 的建模与信息容量解析方法、小区边缘效应度量及理论计算、频谱效率闭式求解与效能优化、基于统计信息的容量逼近与系统实现方法等。这一期间,该实验室与英国 Kent 大学王江舟教授领导的课题组进行了长期密切合作。本书目的之一,就是对这一领域的前期若干重要研究成果进行较为完整的概括与总结。

 

本书力求将一系列看似极为繁复的分析方法,以尽可能统一且尽可能简洁的方式进行描述。读者仅需掌握随机过程与信息论及线性代数基础理论,便可从总体上把握分布式 MIMO 与无蜂窝无线网络发展的总体脉络。这体现在:

 

引入统一的建模方法,详见第一章、第二章及第四章中涉及的分布式 MIMO系统模型,涵盖多用户、多小区等常见应用场景,经典 MIMO 仅是其中的一种简化方式,无蜂窝无线网络则是其一种特殊应用形式。对于新型的网络辅助全双工方式,其上下行链路存在一定的耦合或干扰,在无蜂窝配置条件下,其模型是上述建模方法的推广形式,详见第八章。

 

引入统一的信道模型,涵盖经典 MIMO 以及多用户 MIMO ,并考虑收发两端天线之间的耦合特性,详见第一章。当信道存在多径时延扩展时,通过正交频分复用 (OFDM) 处理后,该基本信道模型仍然适用,详见第七章。

 

引入统一的容量模型,建立 MIMO( 向量信道 ) 与传统单输入单输出 (single input single output , SISO ,标量信道 ) 之间的关系,详见第一章和第二章;建立与用户位置有关的瞬态与平均信道容量、中断容量、区域平均容量、区域中断容量等常见分析方法的相互关系,详见第二章;在上述容量模型的基础上,探讨分布式MIMO 各种典型配置场景下的最优功率分配和能量效率优化问题,包括多用户、多小区以及无蜂窝无线网络等实际应用场景,详见第五章。

 

鉴于信道信息获取是限制分布式大规模 MIMO 应用的瓶颈因素,需要引入导频复用技术以减少资源的开销。此时,信道信息获取的非理想特性,也即导频污染,将对系统的性能形成制约。在第三章中,对此关键问题进行了较为完整的分析,并引入了收发天线数充分多时,典型接收机和发射机的系统极限性能。

 

无线缓存是移动通信领域近年来的一个研究热点。在第六章中,针对分布式MIMO 网络的特点,给出了无线缓存的基本模型,提出了性能优越且实现简单的缓存方案及优化算法,从而探讨了分布式 MIMO 无线网络资源有效利用的一种新途径。

 

计算复杂度随天线的规模增加而大幅增加,是限制分布式 MIMO 及无蜂窝无线网络走向应用的另一个主要瓶颈。在第七章中,结合 5G 移动通信系统应用,给出了低复杂度的接收机与发射机联合设计,其核心是利用统计信息对多用户 MIMO问题进行解耦,并最终将问题转化为多个独立并行的单用户处理问题。

 

云化处理是近年来移动通信系统发展的一个主流趋势,愈来愈多的网络功能将通过数据中心以虚拟化的方式加以实现。在第九章中,引入了基于以太交换机及通用众核服务器的 5G 移动通信云构架实现方法,介绍了分布式大规模 MIMO 无蜂窝网络的高速并行编程及实时实现方法,提出了无线节点同步、上下行链路互易性校正等关键问题的解决方法,并通过典型场景下的试验测试,表明基于分布式大规模 MIMO 的无蜂窝无线网络极具发展潜能。

 

在本书即将完稿之际,要特别感谢国家自然科学基金重大项目、创新群体项目以及国家 863 计划 4G 和 5G 重大项目的持续性支持。正是得益于上述支持,分布式 MIMO 理论与方法的研究能得以长期深入持续,辅以系统性的测试验证,并得以向工业界推广。特别值得一提的是,围绕分布式 MIMO 这一新兴研究方向,东南大学移动通信国家重点实验室的众多研究人员进行了长期卓绝的努力,贡献了极为丰富的成果。鉴于作者精力有限,未能在本书中对他们的成果逐一涉及,谨在此向他们致以崇高的敬意!


认识作者



尤肖虎:东南大学信息科学与工程学院教授、博士生导师,IEEE Fellow、长江学者、 杰出青年基金获得者、移动通信国家重点实验室主任;863计划3G、4G和5G重大项目专家组组长;主持完成我国C3G和4G试验系统研发、NSFC重大项目等;作为第一完成人获2003年度国家科技进步二等奖和2011年度国家技术发明一等奖。


王东明:东南大学信息科学与工程学院教授、博士生导师。承担了30多项国家和省部级科研项目,在国际期刊和IEEE会议上发表论文150余篇。担任IEEE ICC 2015无线通信分会TPC副主席和WCSP2017无线通信分会的TPC主席和《中国科学-信息科学》编委。获2014年江苏省科学技术奖一等奖和2016年度国家科技进步特等奖。目前担任工信部6G技术推进组专家组副组长。


王江舟:英国肯特大学教授,IEEE Fellow,英国皇家工程院院士,IEEE杰出讲师,曾任肯特大学工程与数字艺术学院院长。在无线通信领域出版4本专著,在国际期刊和IEEE会议上发表论文300余篇,获IEEE GLOBECOM2012最佳论文奖。担任IEEE ICC 2019 TPC主席和IEEE ICC 2015执行主席,并担任包括IEEE Transactions on Communications等多个国际期刊的编委。


本文摘编自《分布式 MIMO 与无蜂窝移动通信》尤肖虎,王东明,王江舟 著)一书“序”“目录”,有删减,标题为编者所加。


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《分布式 MIMO 与无蜂窝移动通信》

尤肖虎,王东明,王江舟 著

北京:科学出版社, 2019.12

ISBN 978-7-03-063968-4

责任编辑: 惠雪  黄海


内容简介

分布式 MIMO 与无蜂窝系统构架是近年兴起的移动通信新技术。《分布式 MIMO 与无蜂窝移动通信》从基础理论、关键技术到系统试验验证,较为完整地对分布式 MIMO 与无蜂窝移动通信系统技术进行介绍与理论分析,主要内容涵盖分布式 MIMO 与无蜂窝系统的统一模型和容量解析、非理想信道信息下的频谱效率解析、小区边沿效应特性、最优功率分配及能量效率优化、缓存方案优化、低复杂度无线传输技术以及新型网络辅助全双工技术等,并详细介绍了基于云构架的分布式MIMO 与无蜂窝系统试验验证方案、软硬件实现与试验测试结果。


本书适合于从事无线移动通信研究的高年级本科生、研究生、学者与工程技术人员阅读,也可作为电子信息领域研究生和科研人员的参考书。



本书目录



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目录

第1章 分布式MIMO与无蜂窝移动通信基础 1
1.1 技术背景 1
1.2 分布式MIMO与无蜂窝系统基本模型 4
1.3 多天线信道特性及对系统性能的影响 7
1.4 分布式MIMO的若干演变形式 10
1.5 本章小结 11
参考文献 12
第2章 分布式MIMO信道容量描述与解析 14
2.1 分布式MIMO信息熵与信道容量 15
2.2 分布式MIMO信道容量的几种典型描述方法 16
2.3 与用户位置有关的分布式MIMO信道容量闭式及分析 20
2.4 小区平均容量与中断容量 27
2.5 基于分布式MIMO的无蜂窝系统与传统蜂窝的区域容量对比 31
2.6 本章小结 37
参考文献 38
第3章 导频污染条件下的大规模分布式MIMO与无蜂窝系统性能 40
3.1 导频污染条件下的大规模分布式MIMO与无蜂窝系统模型 41
3.2 导频污染条件下的上行链路频谱效率 43
3.3 导频污染条件下的下行链路频谱效率 56
3.4 本章小结 62
参考文献 63
第4章 小区边沿效应与无蜂窝边沿效应消除 65
4.1 研究背景与分析基础 65
4.2 多天线蜂窝系统的小区边沿效应 68
4.3 基于分布式MIMO的无蜂窝系统小区边沿效应消除 76
4.4 本章小结 80
参考文献 80
第5章 分布式MIMO发射功率分配与能量效率优化 82
5.1 分布式MIMO的功率分配 83
5.2 正交多用户分布式MIMO最优功率分配 86
5.3 分布式MIMO能量效率与频谱效率折中优化 88
5.4 数值计算结果 91
5.5 多小区分布式MIMO功率分配及能量效率优化 94
5.6 本章小结 96
参考文献 97
第6章 分布式MIMO缓存方案优化 99
6.1 无线缓存技术背景 99
6.2 缓存研究现状 101
6.3 分布式MIMO缓存模型 103
6.4 中断概率与前传网络使用率折中优化 110
6.5 分布式MIMO缓存性能分析 114
6.6 本章小结 125
参考文献 125
第7章 分布式MIMO低复杂度无线传输技术 129
7.1 分布式MIMO-OFDM系统 129
7.2 分布式MIMO的多用户收发方法 133
7.3 分布式MIMO的导频复用技术 140
7.4 利用稀疏性的多用户收发方法 145
7.5 本章小结 151
参考文献 152
第8章 大规模分布式MIMO与无蜂窝网络辅助全双工 154
8.1 无蜂窝网络辅助全双工 155
8.2 无蜂窝网络辅助全双工的频谱效率分析 160
8.3 无蜂窝网络辅助全双工的联合下行预编码和上行功率控制 168
8.4 本章小结 171
参考文献 172
附录 NAFD上行发送功率和下行预编码联合优化求解 174
第9章 基于云构架的分布式MIMO与无蜂窝系统实现 177
9.1 试验系统架构 178
9.2 高性能软件支撑技术 183
9.3 同步和互易性校准技术 191
9.4 无线链路设计 194
9.5 试验结果 196
9.6 本章小结 201
参考文献 202


本期编辑丨王芳

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