MIMO lớn cho thế hệ tiếp theo Hệ thống không dây

Giới thiệuNhiều người sử dụng MIMO cung cấp các lợi thế lớn hơn thông thường điểm MIMO: nó hoạt động với ăng-ten đĩa đơn giá rẻ thiết bị đầu cuối, một môi trường phong phú tán xạ là không cần thiết, và phân bổ nguồn lực là đơn giản bởi vì mỗi thiết bị đầu cuối hoạt động sử dụng tất cả các thùng tần số thời gian. Tuy nhiên, nhiều người sử dụng MIMO, như ban đầu hình dung, với các con số đương của dịch vụ ăng-ten và thiết bị đầu cuối và tần số-bộ phận hoạt động song, không phải là một công nghệ khả năng mở rộng. Lớn MIMO (hệ thống ăng-ten cũng được gọi là quy mô lớn, rất lớn MIMO, siêu MIMO, đầy đủ kích thước MIMO, một d ARGOS) làm cho sạch phá vỡ với các thực hành hiện nay bằng cách sử dụng một vượt quá lớn của ăng-ten dịch vụ trong hoạt động thiết bị đầu cuối và phân chia thời gian hoạt động song. Ăng-ten phụ giúp bằng cách tập trung năng lượng vào các khu vực nhỏ hơn bao giờ hết dung lượng để mang lại những cải tiến lớn thông qua và xạ năng lượng hiệu quả. Lợi ích khác của MIMO lớn bao gồm sử dụng rộng rãi không tốn kém thành phần năng lượng thấp, giảm độ trễ, đơn giản hóa của tầng MAC, và mạnh mẽ chống lại cố ý gây nhiễu. Dự đoán thông lượng phụ thuộc vào môi trường truyền cung cấp kênh tiệm cận trực giao các thiết bị đầu cuối, nhưng cho đến nay thí nghiệm đã không tiết lộ bất kỳ giới hạn trong lĩnh vực này. Trong khi lớn MIMO Hiển thị hình ảnh nhiều truyền thống nghiên cứu vấn đề không liên quan, nó khám phá những vấn đề hoàn toàn mới khẩn trương cần chú ý: những thách thức làm cho nhiều thành phần chính xác thấp chi phí thấp mà làm việc có hiệu quả với nhau, việc mua lại và đồng bộ hóa cho thiết bị đầu cuối mới được tham gia, việc khai thác của phụ bậc tự do cung cấp bởi sự vượt trội của ăng ten dịch vụ, giảm tiêu thụ điện năng nội bộ để đạt được tất cả năng lượng hiệu quả giảm, và việc tìm kiếm tình huống triển khai mới. Bài viết này trình bày một tổng quan về các khái niệm MIMO lớn và hiện đại nghiên cứu về chủ đề.

GOING LARGE: MASSIVE MIMOLớn nhiều-vào nhiều / ra (MIMO) là một công nghệ mới nổi có quy mô lên MIMO bởi có thể đơn đặt hàng của độ lớn so với nhà nước hiện tại của nghệ thuật. Trong bài này, chúng tôi làm theolên trên của chúng tôi trình bày trước đó [1], với một tập trung vào những phát triển trong ba năm qua; Hầu hết đặc biệt, năng lượng hiệu quả, khai thác vượt quá bậc tự do, thời gian-bộ phận kép (TDD) hiệu chuẩn, kỹ thuật để chiến đấu ô nhiễm thí điểm, và hoàn toàn mới kênh đo lường. Với lớn MIMO, chúng tôi nghĩ của hệ thống sử dụng ăng-ten mảng với ăng-ten trăm một vài đồng thời phục vụ các hàng chục nhiều thiết bị đầu cuối trong các nguồn tài nguyên cùng một tần số thời gian. Những tiền đề cơ bản đằng sau lớn MIMO là để gặt hái tất cả những lợi ích của truyền thống MIMO, nhưng trên một quy mô lớn hơn nhiều. Nói chung, lớn MIMO là một enabler cho sự phát triển của tương lai mạng băng thông rộng (cố định và điện thoại di động), mà sẽ được năng lượng hiệu quả, an toàn, và mạnh mẽ, và sẽ sử dụng quang phổ hiệu quả. Như vậy, nó là một enabler cho cơ sở hạ tầng xã hội kỹ thuật số trong tương lai sẽ kết nối Internet của người dân và Internet của những điều cần với đám mây và cơ sở hạ tầng mạng khác. Nhiều cấu hình khác nhau và các tình huống triển khai cho các ăng-ten thực tế mảng được sử dụng bởi một hệ thống MIMO lớn có thể hình dung (hình 1). Mỗi đơn vị ăng-ten sẽ được nhỏ và hoạt động, tốt hơn là cho ăn thông qua một xe buýt kỹ thuật số quang học hoặc điện. MIMO lớn dựa trên không gian ghép kênh, mà lần lượt dựa trên trạm tốt có đủ kiến thức kênh, về việc tải lên và tải. Tải lên, điều này là dễ dàng để thực hiện bằng thiết bị đầu cuối gửi phi công, dựa trên đó các trạm cơ sở ước tính những phản hồi kênh để mỗi người trong số các thiết bị đầu cuối. Tải là khó khăn hơn. Ở thông thường hệ thống MIMO chẳng hạn như các dài hạn Evolution (LTE) tiêu chuẩn, trạm gửi ra thí điểm waveforms, dựa trên đó các thiết bị đầu cuối ước tính các câu trả lời kênh, quantize ước tính do đó thu được, và thức ăn cho họ quay lại trạm cơ sở. Điều này sẽ không được khả thi trong các hệ thống MIMO lớn, ít không khi hoạt động trong một môi trường di động cao, vì hai lý do. Phi công đầu tiên, tối ưu tải nên cả hai bên trực giao giữa các ăng-ten. Điều này có nghĩa rằng số lượng thời gian-tần số tài nguyên cần thiết cho phi công tải quy mô

với số lượng các ăng-ten, do đó, một hệ thống MIMO lớn sẽ yêu cầu tối đa 100 lần các nguồn lực nhiều hơn so với một hệ thống thông thường. Thứ hai, số kênh phản ứng mỗi thiết bị đầu cuối phải ước tính là cũng tỷ lệ thuận với số lượng các trạm ăng ten. Do đó, các nguồn tài nguyên uplink cần thiết để thông báo cho các trạm cơ sở của các phản ứng kênh sẽ lên đến 100 lần lớn hơn trong hệ thống thông thường. Nói chung, giải pháp là để hoạt động trong chế độ TDD, và dựa vào nghịch giữa các kênh tải lên và tải, mặc dù tần số-bộ phận duplext (loại) hoạt động có thể có thể có trong một số trường hợp [2]. Trong khi các khái niệm lớn MIMO có được chủ yếu là lý thuyết cho đến nay, kích thích nhiều nghiên cứu đặc biệt trong lý thuyết ma trận ngẫu nhiên và toán học có liên quan, để thử nghiệm cơ bản đang trở nên có sẵn [3], và đo đạc đầu tiên kênh đã được thực hiện [4, 5].

TÔNG OTENTIAL Pcủa MASSIVE MIMOLớn MIMO công nghệ dựa trên phasecoherent nhưng computationally rất đơn giản chế biến của tín hiệu từ tất cả các ăng-ten tại các trạm cơ sở. Một số lợi ích cụ thể của một hệ thống MU-MIMO lớn là:•Massive MIMO có thể tăng năng lực 10 lần hoặc nhiều hơn và đồng thời nâng cao hiệu quả năng lượng chiếu trên thứ tự của 100 lần. Kết quả khả năng tăng từ các tích cực không gian ghép kênh được sử dụng trong MIMO lớn. Những nguyên tắc cơ bản mà làm cho sự gia tăng đáng kể trong năng lượng hiệu quả có thể là rằng với một số lớn các ăng-ten, năng lượng có thể được tập trung với cực độ sắc nét thành các khu vực nhỏ trong không gian (hình 2). Vật lý cơ bản là chồng chập mạch lạc của wavefronts. Bởi một cách thích hợp tạo hình tín hiệu được gửi bởi các ăng-ten, trạm có thể chắc chắn rằng tất cả wavefronts chung phát ra từ tất cả các ăng-ten tăng lên cách xây dựng tại địa điểm của các thiết bị đầu cuối dự định, nhưng destructively (ngẫu nhiên) gần như ở khắp mọi nơi khác. Sự can thiệp giữa thiết bị đầu cuối có thể được dập tắt hơn nữa bằng cách sử dụng, ví dụ, zero-buộc (ZF). Điều này, Tuy nhiên, có thể đến với chi phí của nhiều hơn truyền sức mạnh, như minh họa trong hình 2.Hơn định, hình 3 (từ [6]) miêu tả cái giá cơ bản giữa năng lượng hiệu quả trong điều khoản của tổng số bit (tổng tỷ lệ) truyền một Joule cho mỗi thiết bị đầu cuối nhận được dịch vụ năng lượng chi tiêu, và quang phổ hiệu quả trong điều khoản của tổng số bit (tổng tỷ lệ) truyền cho mỗi đơn vị của quang phổ radio tiêu thụ. Hình minh họa mối quan hệ cho tải lên, từ thiết bị đầu cuối để trạm (hiệu suất tải là tương tự). Các con số cho thấy thương mại-off cho ba trường hợp:• Một hệ thống tài liệu tham khảo với một antennaserving duy nhất một thiết bị đầu cuối

duy nhất (màu tím)• Một hệ thống với ăng-ten 100 phục vụ một singleterminal bằng cách sử dụng thông

thường beamforming (xanh)• Một hệ thống MIMO lớn với 100 antennassimultaneously phục vụ nhiều (khoảng 40

đây) thiết bị đầu cuối (đỏ, bằng cách sử dụng tối đa tỷ lệ kết hợp, và màu xanh, bằng cách sử dụng ZF).

• S ự hấp dẫn của tỷ lệ tối đa kết hợp (MRC) so với ZF không phải là chỉ đơn giản tính toán của nó — nhân của các tín hiệu nhận được của các kênh liên hợp phản ứng- nhưng cũng là nó có thể được thực hiện trong một thời trang phân phối, độc lập tại mỗi đơn vị ăng-ten. Trong khi ZF cũng làm việc khá tốt cho một hệ thống MIMO thông thường hoặc có kích thước vừa phải, MRC nói chung không. Lý do MRC hoạt động rất tốt cho lớn MIMO là những phản hồi kênh liên kết với thiết bị đầu cuối khác nhau có xu hướng để gần như trực giao khi số lượng các trạm ăng ten là lớn.

Hình 1.Một số cấu hình có thể có ăng-ten và tình huống triển khai cho các trạm cơ sở MIMO lớn.

Dự đoán trong hình 3 dựa trên một phân tích lý thuyết thông tin rằng sẽ đưa vào tài khoản intracell can thiệp, cũng như chi phí băng thông và năng lượng của việc sử dụng phi công để có được các kênh thông tin trạng thái trong một môi trường di động cao [6]. Với thu MRC, chúng tôi hoạt động trong chế độ gần như tiếng ồn giới hạn lý thuyết thông tin. Điều này có nghĩa là cung cấp cho mỗi thiết bị đầu cuối với một tỷ lệ khoảng 1 trục tọa độ b/phức tạp (1 b/s/Hz). Trong một hệ thống MIMO lớn, khi sử dụng MRC và hoạt động trong chế độ "xanh" (tức là, mở rộng quy mô xuống sức mạnh càng nhiều càng tốt mà không có nghiêm trọng ảnh hưởng đến hiệu quả tổng thể quang phổ), multiuser can thiệp và các hiệu ứng từ phần cứng hoàn hảo có xu hướng bị quá tải bởi tiếng ồn thermal. Lý do hiệu quả tổng thể quang phổ vẫn có thể 10 lần cao hơn so với ở MIMO thông thường là hàng chục nhiều thiết bị đầu cuối được phục vụ cùng một lúc, trong tài nguyên cùng một tần số thời gian. Khi hoạt động ở chế độ b/kích thước/terminal 1, cũng là một số bằng chứng rằng intersymbol can thiệp có thể được coi như là bổ sung tiếng ồn nhiệt [7], do đó cung cấp một cách để xử lý với tần số trực giao-bộ phận ghép kênh (OFDM) như là một phương tiện combatting intersymbol can thiệp.

Để hiểu quy mô công suất lợi nhuận lớn MIMO cung cấp, hãy xem xét một mảng bao gồm 6400 omnidirectional ăng ten (Tất cả hình thức yếu tố 6400 × (l/2)2 40 m2) truyền với một sức mạnh tổng số 120 W (tức là, mỗi ăng-ten tỏa ra khoảng 20 mW) trên một băng thông 20 MHz trong ban nhạc cá nhân truyền thông dịch vụ (máy tính) (1900 MHz). Các mảng phục vụ 1000 thiết bị đầu cuối cố định phân phối ngẫu nhiên trong một đĩa bán kính 6 km, tập trung vào mảng, mỗi thiết bị đầu cuối có một ăng-ten tăng 8 dB. Chiều cao của mạng ăng ten là 30 m, và chiều cao của các thiết bị đầu cuối là 5 m. bằng cách sử dụng các mô hình Hata-COST231, chúng tôi thấy rằng mất con đường 127 dB ở khoảng cách 1 km, và phạm vi phân rã mũ là 3,52. Đó cũng là bình thường đăng nhập bóng mờ dần với độ lệch chuẩn 8 dB. Các thiết bị thu receiver có một con số tiếng ồn 9 dB. Một phần tư thời gian chi cho truyền dẫn của các phi công uplink TDD kênh dự toán, và người ta cho rằng các kênh là đáng kể liên tục hơn khoảng 164 ms để ước tính lợi nhuận Kênh với độ chính xác đủ. Tải dữ liệu được truyền qua tỷ lệ tối đa truyền (MRT) beamforming kết hợp với quyền lực kiểm soát, nơi 5 phần trăm của thiết bị đầu cuối với các kênh tồi tệ nhất được loại trừ khỏi Dịch vụ. Chúng tôi sử dụng một công suất thấp hơn ràng buộc từ [8] mở rộng để đáp ứng chậm dần, gần/xa ảnh hưởng và kiểm soát quyền lực, chiếm nhận tiếng ồn, kênh dự toán lỗi, overhead thí điểm truyền dẫn và không hoàn hảo của tàu điện ngầm

beamforming. Chúng tôi sử dụng điều khiển tối ưu tối-min điện, confers một tỷ lệ tín hiệu-nhiễu-plus-nhiễu bằng trên mỗi người trong số các thiết bị đầu cuối 950 và do đó bằng thông qua. Trung bình số ngẫu nhiên vị trí thiết bị đầu cuối và bóng mờ cho thấy rằng 95 phần trăm của các thiết bị đầu cuối sẽ nhận được một thông lượng của 21,2 Mb/s/terminal.Nhìn chung, các mảng trong ví dụ này sẽ cung cấp cho thiết bị đầu cuối 1000 một thông lượng tải tất cả các 20 Gb/s, dẫn đến một hiệu quả tổng quang phổ của 1000 b/s/Hz. Điều này sẽ là đủ, ví dụ, cung cấp 20 Mb/s dịch vụ băng thông rộng cho mỗi 1000 nhà. Kiểm soát quyền lực tối đa-min cung cấp dịch vụ bằng đồng thời thiết bị đầu cuối 950. Các loại quyền lực kiểm soát kết hợp với thời gian-bộ phận ghép kênh có thể chứa lưu lượng truy cập không đồng nhất nhu cầu của một bộ lớn hơn của thiết bị đầu cuối.Nhận MRC (cho tải lên) và các đối tác tàu điện ngầm precoding (cho tải) cũng được biết đến như kết hợp lọc (MF) trong các tài liệu.• MIMO lớn có thể được xây dựng với chi phí thấp, thành phần năng lượng thấp.

Hình 2.Sức mạnh tương đối trường xung quanh một mục tiêu thiết bị đầu cuối trong một môi trường tán xạ của kích thước 800 l × 800 l khi trạm là đặt 1600 l bên trái. Thế mạnh trung bình là lĩnh vực được tính trên 10.000 ngẫu nhiên vị trí của 400 scatterers khi hai precoders khác nhau tuyến tính được sử dụng: một) tàu điện ngầm precoders; b) ZF precoders. Bên trái: giả màu lô của sức mạnh trung bình là lĩnh vực, với mục tiêu người dùng vị trí tại Trung tâm () và bốn người dùng khác gần đó (). Bên phải: trung bình thế mạnh lĩnh vực như lô bề mặt, cho phép một cái nhìn thay thế của tập trung không gian.

MIMO lớn là một trò chơi thay đổi công nghệ liên quan đến lý thuyết, Hệ thống, và thực hiện. Với lớn MIMO, đắt tiền tuyến tính siêu 50 W khuếch đại được sử dụng trong hệ thống thông thường được thay thế bởi hàng trăm chi phí thấpbộ khuếch đại với sản lượng điện trong phạm vi milli-Watt. Trái ngược với thiết kế cổ điển mảng, sử dụng ăng-ten vài ăn từ bộ khuếch đại sứ, là đáng kể. Một số đắt tiền và cồng kềnh mục,

chẳng hạn như cáp đồng trục lớn, có thể được loại bỏ hoàn toàn. (Các loại cáp đồng trục điển hình được sử dụng cho các trạm cơ sở gắn trên tháp vào ngày hôm nay là hơn 4 cm đường kính!)MIMO lớn làm giảm khó khăn về độ chính xác và linearity của mỗi cá nhân khuếch đại và RF chuỗi. Tất cả những gì vấn đề là hành động kết hợp của họ. Theo cách một, lớn MIMO dựa trên con số lớn của pháp luật để đảm bảo rằng tiếng ồn, mờ dần, và phần cứng hoàn hảo trung bình khi tín hiệu từ một số lớn các ăng-ten được kết hợp trong không khí. Tài sản tương tự mà làm cho lớn MIMO đàn hồi chống lại fading cũng làm cho công nghệ cực kỳ mạnh mẽ đến thất bại của một hoặc một vài trong số các máy đặt bên ăng-ten.Một hệ thống MIMO lớn có một thặng dư lớn của bậc tự do. Ví dụ, với 200 ăng-ten phục vụ thiết bị đầu cuối 20, 180 độ khác nhau của tự do là không sử dụng. Những bậc tự do có thể được sử dụng cho tín hiệu thân thiện với phần cứng hình. Đặc biệt, mỗi ăng-ten có thể truyền tín hiệu với tỷ lệ cao điểm trung bình rất nhỏ [9] hoặc thậm chí thường xuyên phong bì [10] tại một hình phạt rất khiêm tốn trong điều khoản của suất chiếu tất cả. Phong bì (gần liên tục) tín hiệu như vậy tạo điều kiện sử dụng cực kỳ rẻ và powerefficient RF khuếch đại. Các kỹ thuật trong [9, 10] không được nhầm lẫn với kỹ thuật thông thường beamforming hay bình đẳng-magnitudeweight beamforming kỹ thuật. Sự phân biệt này được giải thích trong hình 4. Với (gần) constantenvelope multiuser precoding, không có dầm được hình thành, và các tín hiệu phát ra từ mỗi ăng-ten không được hình thành bởi nặng một biểu tượng. Thay vào đó, một wavefield được tạo ra sao cho khi này wavefield được nếm thử tại điểm nơi các ga đầu cuối được đặt, các thiết bị đầu cuối thấy chính xác các tín hiệu mà chúng tôi muốn họ để xem. Tài sản cơ bản của các kênh MIMO lớn làm cho điều này có thể là các kênh có một nullspace lớn: hầu như bất cứ điều gì có thể được đưa vào nullspace này mà không ảnh hưởng đến những gì nhìn thấy các thiết bị đầu cuối. Đặc biệt, thành phần có thể được đưa vào này nullspace làm cho truyền waveforms đáp ứng các khó khăn mong muốn phong bì. Tuy nhiên, kênh hiệu quả giữa trạm và mỗi người trong số các thiết bị đầu cuối có thể mất bất kỳ chòm sao tín hiệu như đầu vào và không yêu cầu việc sử dụng các giai đoạn shift keying điều chế (PSK).Hiệu suất được cải thiện đáng kể năng lượng cho phép hệ thống MIMO lớn để hoạt động với một sức mạnh tổng sản lượng RF hai đơn đặt hàng của cường độ ít hơn với công nghệ hiện tại. Điều này quan trọng, bởi vì việc tiêu thụ năng lượng của trạm di động cơ sở là một mối quan tâm ngày càng tăng trên toàn thế giới. Ngoài ra, trạm cơ sở mà tiêu thụ nhiều đơn đặt hàng của cường độ ít quyền lực có thể được cung cấp bởi gió hoặc năng lượng mặt trời, và do đó dễ dàng triển khai mà không có lưới điện có sẵn. Là một tiền thưởng, lực đẩy phát ra tất cả có thể được cắt giảm đáng kể, và do đó trạm sẽ tạo ra đáng kể ít gây nhiễu điện từ. Điều này là quan trọng do tăng mối quan tâm về điện từ tiếp xúc.

Hình 3.Một nửa sức mạnh-hai lần trong quân (từ [6]): cải thiện hiệu quả quang phổ tải lên 10 lần và đồng thời tăng hiệu quả năng lượng chiếu 100 lần với lớn MIMO công nghệ, bằng cách sử dụng cực kỳ đơn giản xử lý tín hiệu, có tính đến các chi phí năng lượng và băng thông của việc thu thập thông tin nhà nước kênh.

•Massive MIMO cho phép một đáng kể reduction của độ trễ trên giao diện máy.Hiệu suất của hệ thống không dây truyền thông thường được giới hạn bởi mờ dần. Mờ dần có thể hiển thị cường độ tín hiệu nhận được rất nhỏ vào các thời điểm nhất định. Điều này xảy ra khi các tín hiệu được gửi từ một trạm phát đi thông qua nhiều con đường trước khi nó đạt đến nhà ga, và những con sóng gây ra bởi các đường dẫn nhiều can thiệp destructively. Nó là mờ dần này mà làm cho nó khó để xây dựng kết nối không dây độ trễ thấp. Nếu thiết bị đầu cuối bị mắc kẹt trong một nhúng Phai, nó đã phải chờ đợi cho đến khi kênh truyền đã đủ thay đổi cho đến khi bất kỳ dữ liệu có thể nhận được. MIMO lớn dựa trên luật số lớn và beamforming để tránh phai dips, do đó, mờ dần không còn giới hạn độ trễ.•Massive MIMO đơn giản hoá truy cập nhiều lớp.Do luật số lớn, kênh cứng để lập lịch miền tần số đó không còn trả off. Với OFDM, từng subcarrier trong một hệ thống MIMO lớn sẽ có đáng kể các kênh cùng đạt được. Mỗi thiết bị đầu cuối có thể được cung cấp băng thông toàn bộ, mà làm cho hầu hết tầng vật lý kiểm soát tín hiệu dự phòng.

Hình 4.Truyền thống MIMO beamforming tương phản với một ăng-ten không đổi phong bì truyền trong MIMO lớn. Bên trái: Các beamforming thông thường, nơi mà các tín hiệu phát ra từ mỗi ăng-ten có một phạm vi năng động lớn. Bên phải: một ăng-ten không đổi phong bì

•Massive MIMO tăng mạnh mẽ chống lại sự can thiệp không mong đợi của con người gây ra và cố ý gây nhiễu.Cố ý gây nhiễu của hệ thống không dây dân sự là một mối quan tâm ngày càng tăng và một mối đe dọa nghiêm trọng cybersecurity dường như được ít được biết đến cho công chúng. Thiết bị làm nhiễu đơn giản có thể được mua tắt Internet cho một vài trăm đô-la, và thiết bị được sử dụng để được quân sự cấp có thể được đặt lại với nhau bằng cách sử dụng phần mềm-the-shelf radiobased nền tảng cho một vài ngàn đô la. truyền, nơi mỗi ăng-ten sẽ gửi ra một tín hiệu với một phong bì không đổi.

Nhiều sự cố gần đây, đặc biệt là trong các ứng dụng an toàn công cộng, minh họa tầm quan trọng của vấn đề. Trong hội nghị thượng đỉnh EU tại Gothenburg, Thụy Điển, vào năm 2001, những người biểu tình sử dụng một jammer nằm trong một căn hộ gần đó, và trong giai đoạn quan trọng

của cuộc bạo loạn, chỉ huy trưởng không có thể đạt được bất kỳ các 700 nhân viên cảnh sát tham gia [11].Do sự khan hiếm của băng thông, việc truyền bá thông tin trên tần số chỉ là không khả thi, do đó, cách duy nhất của việc cải thiện mạnh mẽ của truyền thông không dây là để sử dụng nhiều ăng-ten. MIMO lớn cung cấp nhiều vượt quá bậc tự do có thể được sử dụng để hủy bỏ các tín hiệu từ thiết bị làm nhiễu cố ý. Nếu lớn MIMO được thực hiện bằng cách sử dụng tải lên phi công cho kênh dự toán, thiết bị làm nhiễu thông minh có thể gây nhiễu sóng có hại với khiêm tốn truyền tải điện. Tuy nhiên, nhiều thông minh hiện thực bằng cách sử dụng chung kênh dự toán và giải mã có thể đáng kể giảm vấn đề đó.

FIMITING MASSIVE MIMO

CHANNEL RECIPROCITY

Thời gian-bộ phận in hoạt động dựa trên kênh tương hỗ. Có vẻ là một sự đồng thuận hợp lý các kênh tuyên truyền chính nó là cơ bản tình trừ khi tuyên truyền bị ảnh hưởng bởi các vật liệu với tính chất từ lạ. Tuy nhiên, các chuỗi phần cứng trong trạm và thiết bị đầu cuối thu có thể không là đối ứng giữa tải lên và tải. Các hiệu chuẩn của chuỗi phần cứng không có vẻ để tạo thành một vấn đề nghiêm trọng, và có những giải pháp hiệu chuẩn dựa trên đã được thử nghiệm để một số phạm vi trong thực tế [3, 12]. Cụ thể, [3] xử lý tương hỗ hiệu chuẩn cho một hệ thống 64-ăng-ten trong một số chi tiết và tuyên bố một triển khai thử nghiệm thành công.Lưu ý rằng các hiệu chuẩn của thiết bị đầu cuối tải lên và tải dây chuyền không được yêu cầu để có được những lợi ích đầy đủ beamforming của lớn MIMO: nếu thiết bị trạm được hiệu chỉnh đúng cách, các mảng sẽ thực sự truyền một chùm chặt chẽ để thiết bị đầu cuối. (Sẽ vẫn còn có một số mismatch trong chuỗi nhận của thiết bị đầu cuối, nhưng điều này có thể được xử lý bởi các phi công truyền thông qua các chùm tia vào nhà ga; chi phí cho các phi công bổ sung là rất nhỏ.) Các hiệu chuẩn tuyệt đối trong các mảng là không cần thiết. Thay vào đó, như đề xuất trong [3], một trong các ăng-ten có thể được coi như là một tài liệu tham khảo, và tín hiệu có thể được giao dịch giữa các ăng-ten tham khảo và mỗi người trong số các ăng-ten khác để lấy được một yếu tố bồi thường cho rằng ăng-ten. Nó có thể có thể hoàn toàn forgo hiệu chuẩn tương hỗ trong các mảng; Ví dụ nếu sự khác biệt tối đa giai đoạn giữa các dây chuyền tải lên và tải là ít hơn 60 ˚, chặt chẽ beamforming sẽ vẫn xảy ra (tối thiểu với tàu điện ngầm beamforming), dù với một giảm 3 dB có thể đạt được.

PILOT CONTAMINATIONLý tưởng nhất, mỗi thiết bị đầu cuối trong một hệ thống MIMO lớn được gán một chuỗi phi công trực giao uplink. Tuy nhiên, số trực giao trình tự thí điểm có thể tồn tại, tối đa là trên bao quanh bởi thời gian khoảng thời gian tính mạch lạc chia cho sự chậm trễ kênh lây lan. Trong [13], cho một điển hình hoạt động kịch bản, số trực giao phi công trình tự trong một 1, tối đa khoảng thời gian tính mạch lạc của ms được ước tính là khoảng 200. Nó là dễ dàng để thải cung cấp sẵn trực giao phi công trình trong một hệ thống đa bào.Tác dụng của tái sử dụng các phi công từ một tế bào khác và những hậu quả tiêu cực liên kết được gọi là phi công ô nhiễm. Cụ thể hơn, khi mảng dịch vụ tương quan của nó tín hiệu nhận được thí điểm với phi công chuỗi liên kết với một thiết bị đầu cuối đặc biệt, nó thực sự có được một ước tính Kênh bị ô nhiễm bởi một tổ hợp tuyến tính của kênh với các thiết bị đầu cuối mà chia sẻ thí điểm tự giống. Tải beamforming dựa trên bị ô nhiễm kênh ước tính kết quả trong sự can thiệp vào những thiết bị đầu cuối mà chia sẻ thí điểm tự giống. Tương tự như can thiệp được kết hợp với tải lên truyền dữ liệu. Can thiệp hướng này phát triển với số lượng các ăng-ten dịch vụ ở mức tương tự như là tín hiệu mong muốn [13]. Thậm chí một phần tương quan thí điểm chuỗi kết quả trong sự can thiệp đạo diễn.Thí điểm ô nhiễm như một hiện tượng cơ bản không phải là thực sự dành riêng cho lớn MIMO, nhưng hiệu quả của nó trên MIMO lớn dường như là nhiều hơn nữa sâu sắc hơn trong cổ điển MIMO [13, 14]. [13] nó lập luận rằng ô nhiễm thí điểm cấu thành một giới hạn cuối cùng về hiệu

suất khi số lượng các ăng-ten được tăng lên mà không có ràng buộc, ít với máy thu dựa trên ước tính dựa trên phi công kênh. Trong khi điều này lý luận đã được tranh cãi mới [15], tối thiểu theo một số giả định cụ thể trên bộ điều khiển điện được sử dụng, nó xuất hiện có khả năng phi công ô nhiễm phải được xử lý với một cách nào đó. Điều này có thể được thực hiện trong một số cách:•Mã phân bổ của phi công waveforms có thể được tối ưu hóa. Một khả năng là sử dụng một yếu tố tái sử dụng tần số ít tích cực cho các phi công (nhưng không nhất thiết phải cho các dữ liệu tải trọng); nói, 3 hoặc 7. Điều này đẩy xa hơn ngoài cùng lây nhiễm các tế bào. Nó cũng có thể phối hợp việc sử dụng của phi công hoặc một cách điều hợp phân bổ các trình tự thí điểm để các thiết bị đầu cuối khác nhau trong mạng [16]. Hiện nay, các chiến lược tối ưu là không rõ.•Clever kênh dự toán thuật toán [15], hoặc thậm chí mù kỹ thuật phá vỡ việc sử dụng hoàn toàn phi công [17], có thể giảm thiểu hoặc loại bỏ những ảnh hưởng của ô nhiễm thí điểm. Hướng hứa hẹn nhất dường như mù kỹ thuật cùng ước tính các kênh và các dữ liệu tải trọng chiến đấu.•New precoding kỹ thuật tính đến cấu trúc mạng, chẳng hạn như ô nhiễm thí điểm precoding [18], có thể sử dụng hợp tác truyền qua một đa dạng của các tế bào-bên ngoài các hoạt động beamforming — để vô hiệu hóa, tối thiểu một phần sự can thiệp đạo diễn mà kết quả từ ô nhiễm thí điểm. Không giống như beamforming phối hợp trong nhiều tế bào, mà đòi hỏi các ước tính của các kênh thực tế giữa các thiết bị đầu cuối và mảng dịch vụ của các tế bào contaminating, thí điểm ô nhiễm precoding yêu cầu chỉ có mờ dần làm chậm hệ số tương ứng. Thực hiện thí điểm ô nhiễm precoding còn lại để được phát triển.

RADIO PROPAGATION và ORTHOGONALITY CHANNEL RESPONSES

MIMO lớn (và đặc biệt là MRC/tàu điện ngầm chế biến) phụ thuộc đến một mức độ lớn trên một tài sản của môi trường đài phát thanh được gọi là thuận lợi tuyên truyền. Chỉ đơn giản là đã nêu, thuận lợi tuyên truyền có nghĩa là những phản hồi kênh tuyên truyền từ trạm phát của thiết bị đầu cuối khác nhau khác nhau đủ. Để nghiên cứu hành vi của hệ thống MIMO khổng lồ, kênh số đo phải được thực hiện bằng cách sử dụng thực tế ăng-ten mảng. Điều này như vậy bởi vì hành vi kênh bằng cách sử dụng các mảng lớn khác từ thường có kinh nghiệm bằng cách sử dụng các mảng nhỏ hơn thông thường. Sự khác biệt quan trọng nhất là:• Có thể có quy mô lớn phai trong thearray.• Thống kê tín hiệu quy mô nhỏ có thể alsochange trên mảng. Tất nhiên, điều này cũng

đúng cho các mảng nhỏ hơn thể chất với ăng-ten định hướng các yếu tố chỉ theo hướng khác nhau.

Hình 5 cho thấy hình ảnh của các mảng MIMO lớn hai được sử dụng để đo lường báo cáo trong bài viết này. Bên trái là một nhỏ gọn tròn lớn MIMO mảng với 128 ăng-ten cổng. Mảng này bao gồm 16 phân cực kép vá ăng-ten yếu tố bố trí trong một vòng tròn, với 4 những vòng tròn xếp chồng lên nhau trên đầu trang của mỗi khác. Bên cạnh đó có lợi thế là nhỏ gọn, mảng này cũng cung cấp khả năng để giải quyết scatterers ở độ cao khác nhau, nhưng nó đau khổ từ các giải pháp tồi tệ hơn trong góc phương vị do khẩu độ giới hạn. Ở bên phải là một cơ thể lớn tuyến tính (ảo) mảng, nơi một yếu tố duy nhất omnidirectional ăng-ten được di chuyển đến 128 vị trí khác nhau trong một môi trường nếu không tĩnh để mô phỏng một mảng thực với cùng một kích thước.Một cách để định lượng khác nhau như thế nào những phản hồi kênh thiết bị đầu cuối khác nhau là để xem xét sự lây lan giữa nhỏ nhất và lớn nhất từ giá trị của ma trận có chứa những phản hồi kênh. Hình 6 minh họa điều này cho một trường hợp với người dùng 4 thiết bị đầu cuối và một trạm có 4, 32, và 128 ăng-ten cổng, tương ứng, cấu hình như một thể chất phân cực đơn tuyến tính mảng lớn hoặc một mảng tròn nhỏ gọn dualpolarized. Cụ thể hơn, các con số cho thấy hàm mật độ tích lũy (CDF) của sự khác biệt giữa các giá trị từ nhỏ nhất và lớn nhất cho đo khác nhau (hẹp) tần số điểm trong các trường hợp khác nhau. Như là một tài liệu tham khảo, chúng tôi cũng cho thấy các kết quả mô phỏng cho lý tưởng độc lập phân phối giống nhau (i.i.d.) Kênh ma trận, thường được sử dụng trong các nghiên cứu lý thuyết. Các phép đo được thực hiện ngoài trời trong khu vực khuôn viên trường đại học Lund. Tần số Trung tâm là 2.6 GHz và băng thông đo lường 50 MHz. Khi sử dụng các mảng hình trụ, kênh RUSK Lund vững chắc hơn được sử dụng,

trong khi một phân tích mạng đã được sử dụng để đo lường tổng hợp tuyến tính mảng. Các kết quả đầu tiên từ chiến dịch đã được trình bày trong [4].

Đối với các mảng 4 yếu tố, Trung bình của giá trị số ít lây lan là khoảng 23-18 dB. Con số này là một biện pháp của rìa Phai, sức mạnh bổ sung đã được sử dụng để phục vụ cho tất cả người dùng với một tín hiệu nhận được hợp lý sức mạnh.

hình 5.Lớn MIMO ăng-ten mảng được sử dụng cho các phép đo.

Với các mảng lớn tuyến tính, sự lây lan là ít hơn 3 dB. Ngoài ra, lưu ý rằng không có các đường cong đã bất kỳ đuôi đáng kể. Điều này có nghĩa rằng khả năng nhìn thấy một giá trị số ít lây lan lớn hơn 3 dB ở bất cứ đâu trên băng thông đo là về cơ bản không đáng kể.Để minh họa thêm ảnh hưởng của các con số khác nhau của ăng-ten yếu tố tại trạm và cấu hình ăng ten, chúng tôi âm mưu trong hình 7 tỷ lệ tổng hợp cho người sử dụng chặt chẽ khoảng cách 4 (ít hơn 2 m giữa người sử dụng ở khoảng cách khoảng 40 m từ trạm phát) trong một kịch bản không line-of-sight (NLOS) khi sử dụng tàu điện ngầm như precoding. Sức mạnh truyền bình thường để tính trung bình, can thiệp miễn phí tín hiệu-để-noiseratio tại các ga đầu cuối là 10 dB.

Hình 6.CDF giá trị số ít lây lan cho các hệ thống MIMO với 4 thiết bị đầu cuối và ba con số khác nhau của trạm ăng ten: 4, 32, và 128. Lý thuyết i.i.d. kênh hiển thị như là một tham chiếu, trong khi hai trường hợp khác là đo kênh với mảng tuyến tính và hình trụ cấu trúc tại các trạm cơ sở. Lưu ý rằng các đường cong cho mảng tuyến tính trùng với kênh i.i.d. cho bốn trạm cơ sở.

Như có thể được nhìn thấy trong hình 7, tỷ lệ tổng cách tiếp cận của các trường hợp lý thuyết interferencefree như số lượng các ăng-ten tại trạm tăng. Các khu vực bóng mờ trong màu đỏ (cho

Từ giá trị lây lan (dB)100

0,1

0

CDF

0,2

0.3

0.4

0,5

0,6

0,7

0,8

0.9

1

20 30 40 50

i.i.d. kênh coeff.Tuyến tính mảngHình trụ mảng# cơ sở ga ăng-ten:4 12832

các mảng tuyến tính) và màu xanh (cho các mảng thông tư) cho thấy khoảng tin cậy 90 phần trăm trong tỷ lệ tổng cho băng hẹp khác nhau tần số realizations. Như trước, phương sai của tỷ lệ tổng giảm khi số lượng các ăng-ten tăng lên, nhưng chậm cho các kênh đo. Giảm chậm tối thiểu một phần có thể được quy cho mờ dần bóng xảy ra trên các mảng: cho mảng tuyến tính trong hình thức theo dõi các đối tượng bên ngoài dọc theo các mảng, và cho các mảng cylindical trong các hình thức bóng gây ra bởi các yếu tố chỉ thị ăng-ten chỉ theo hướng sai. Hiệu suất của mảng thể chất lớn phương pháp tiếp cận của lý thuyết i.i.d. trường hợp khi số lượng các ăng-ten phát triển lớn. Mảng tròn nhỏ gọn có hiệu suất kém hơn so với các mảng tuyến tính do khẩu độ nhỏ hơn của nó-nó không thể giải quyết các scatterers cũng như các mảng thể chất lớn- và các yếu tố chỉ thị ăng ten đôi khi chỉ theo hướng sai. Ngoài ra, do thực tế là hầu hết các scatterers được nhìn thấy ở góc độ ngang cùng, khả năng giải quyết scatters ở độ cao khác nhau mang lại cho chỉ đóng góp biên đến tỷ lệ tổng hợp trong trường hợp này.Nó nên được đề cập ở đây khi sử dụng phức tạp hơn một chút, nhưng vẫn còn tuyến tính, precoding phương pháp như ZF hoặc tối thiểu có nghĩa là quảng trường lỗi, hội tụ để i.i.d. kênh hiệu suất là nhanh hơn và phương sai của tổng tỷ lệ thấp hơn là số lượng các trạm ăng ten tăng lên; Xem abnj [4] để biết thêm chi tiết. Ngoài ra, một khía cạnh đáng nói đến là rằng cho một kịch bản rất khôn lanh tuyên truyền, chẳng hạn như chặt chẽ khoảng cách người dùng trong dòng-of-sight điều kiện, có vẻ như rằng các mảng lớn có thể tách những người dùng đến một mức độ hợp lý bằng cách sử dụng chữ ký không gian khác nhau, những người sử dụng có tại trạm do độ phân giải không gian nâng cao. Điều này sẽ không được tốt với MIMO thông thường. Những kết luận cũng phù hợp với các quan sát trong [5], nơi một hồ đo lường chiến dịch mô tả và phân tích.Nói chung, đó là bằng chứng thuyết phục rằng các giả định vào thuận lợi tuyên truyền xuyên MIMO lớn có giá trị đáng kể trong thực tế. Tùy thuộc vào cấu hình chính xác của các mảng lớn và các thuật toán precoding được sử dụng, hội tụ về việc thực hiện lý tưởng có thể nhanh hơn hoặc chậm hơn là số lượng các ăng-ten được tăng lên. Tuy nhiên, với khoảng 10 lần nhiều trạm ăng ten hơn số lượng người dùng, có vẻ như rằng nó có thể để có được hiệu suất ổn định không xa hiệu suất lý thuyết lý tưởng cũng theo những gì thường được coi là điều kiện rất khó khăn tuyên truyền.

MASSIVE MIMO: một Gcũ MINE của RESEARCH PROBLEMSTrong khi lớn MIMO ám nhiều vấn đề truyền thống trong lý thuyết giao tiếp ít có liên quan, nó khám phá những vấn đề hoàn toàn mới cần nghiên cứu.Nhanh chóng và phân phối xử lý mạch lạc tín hiệu:Mảng MIMO lớn tạo ra một lượng lớn các dữ liệu baseband phải được xử lý trong thời gian thực. Xử lý này sẽ phải được đơn giản, và đơn giản có nghĩa là tuyến tính hoặc gần tuyến tính. Về cơ bản, điều này là tốt trong nhiều trường hợp (hình 3). Nhiều nghiên cứu cần được đầu tư trong việc thiết kế tối ưu hóa các thuật toán và thực hiện của họ. Ngày tải, là các tiềm năng to lớn cho các chương trình precoding khéo léo. Một số ví dụ về các tác phẩm gần đây theo hướng này bao gồm [19].Thách thức của phần cứng thấp chi phí:Xây dựng hàng trăm RF chuỗi, lên/xuống chuyển đổi, analog-to-kỹ thuật số (A/D) - kỹ thuật số - to-analog (D/A) chuyển đổi, và vv, sẽ yêu cầu các nền kinh tế của quy mô sản xuất so sánh với những gì chúng tôi đã thấy cho điện thoại di động điện thoại di động.Phần cứng khiếm:MIMO lớn dựa trên những con số lớn của pháp luật trung bình trong tiếng ồn, mờ dần và để một số phạm vi, sự can thiệp. Trong thực tế, lớn MIMO phải được xây dựng với chi phí thấp thành phần. Điều này có nghĩa là phần cứng hoàn hảo là lớn hơn: giai đoạn đặc biệt, tiếng ồn và tôi / Q sự mất cân bằng. Chi phí thấp và hiệu quả năng lượng A/D chuyển đổi mang lại các cấp độ cao hơn của sự lượng tử hóa tiếng ồn. Bộ khuếch đại điện với yêu cầu rất thoải mái linearity sẽ đòi hỏi phải sử dụng một ăng-ten thấp mức trung bình cao điểm tín hiệu, trong đó, như đã lưu ý, là khả thi cùng với một vượt quá lớn của ăng-ten truyền. Với chi phí thấp giai đoạn bị khóa vòng hoặc thậm chí miễn phí chạy máy dao động tại mỗi ăng-ten, giai đoạn tiếng ồn có thể trở thành một yếu tố hạn chế. Tuy nhiên, điều cuối cùng quan trọng là làm thế

nào nhiều giai đoạn sẽ trôi dạt giữa điểm trong thời gian khi nhận được một biểu tượng thí điểm và điểm trong thời gian khi một biểu tượng dữ liệu nhận được mỗi ăng-ten. Có là tiềm năng lớn để có được xung quanh vấn đề tiếng ồn giai đoạn của thiết kế truyền thông minh tầng vật lý đề án công nhận các thuật toán.Nội bộ điện năng tiêu thụ:MIMO lớn cung cấp tiềm năng để giảm lực đẩy được chiếu 1000 lần và tại cùng một thời gian đáng kể quy mô lên tốc độ dữ liệu. Tuy nhiên, trong thực tế, tất cả năng lượng tiêu thụ phải được xem xét, bao gồm cả chi phí xử lý tín hiệu baseband. Nhiều nghiên cứu phải được đầu tư vào cao song song, một- Haps dành riêng, phụ kiện cho xử lý tín hiệu baseband.Kênh đặc tính:Không có các thuộc tính bổ sung của các kênh để xem xét khi sử dụng lớn MIMO thay vì thông thường MIMO. Để tạo thuận lợi cho một đánh giá hiệu suất thực tế của các hệ thống MIMO lớn, nó là cần thiết để có các mô hình kênh phản ánh hành vi đúng của kênh radio (tức là, các tuyên truyền kênh bao gồm ảnh hưởng của sự sắp xếp thực tế ăng-ten). Đó cũng là quan trọng để phát triển các mô hình phân tích kênh phức tạp hơn. Các mô hình cần không nhất thiết phải được chính xác trong mọi chi tiết tốt, nhưng họ phải nắm bắt hành vi cần thiết của các kênh. Ví dụ, trong truyền thống MIMO Kronecker mẫu được sử dụng rộng rãi để mô hình kênh tương quan. Mô hình này không phải là một đại diện chính xác của thực tế, nhưng cung cấp một mô hình hữu ích cho một số loại phân tích mặc dù hạn chế của nó. Một cách tương tự như suy nghĩ có lẽ có thể được áp dụng cho lớn MIMO kênh mô hình.

Hình 7.Đạt được tải tổng tỷ lệ sử dụng tàu điện ngầm precoding, với single antenna 4 thiết bị đầu cuối và giữa 4 và 128 trạm ăng ten.

Chi phí hiệu chuẩn đi:TDD sẽ yêu cầu hiệu chuẩn tương hỗ. Thường xuyên như thế này phải được thực hiện, và những gì là cách tốt nhất để làm việc đó? Chi phí, trong điều khoản của thời gian và tần số của các nguồn tài nguyên cần thiết để làm hiệu chuẩn, và trong điều khoản của phần cứng bổ sung thành phần cần thiết là gì?Thí điểm ô nhiễm:Nó có khả năng ô nhiễm thí điểm áp đặt các hạn chế nghiêm trọng hơn trên MIMO lớn hơn trên truyền thống MIMO hệ thống. Chúng tôi đã thảo luận một số vấn đề chi tiết và vạch ra một số các hướng dẫn nghiên cứu có liên quan nhất trước đó.Non-CSI@TX hoạt động:Trước khi một liên kết đã được thành lập với một nhà ga, trạm đã không có cách nào của biết phản ứng kênh để thiết bị đầu cuối. Điều này có nghĩa rằng không có lợi beamforming mảng có thể được khai thác. Trong trường hợp này, có lẽ một số hình thức của không thời gian khối mã hóa là tối ưu. Khi nhà ga đã được liên lạc và gửi một phi công, trạm có thể tìm hiểu phản ứng kênh và hoạt động trong chế độ MU-MIMO beamforming mạch lạc, gặt

hái những lợi ích sức mạnh được cung cấp bởi có một mảng rất lớn. Tình huống triển khai mới:Nó được coi là vô cùng khó khăn để giới thiệu một tiêu chuẩn không dây mới cấp tiến. Một khả năng là để giới thiệu dành riêng cho ứng dụng lớn MIMO công nghệ mà không cần tương thích ngược. Ví dụ, như được thảo luận trước đó, trong khu vực nông thôn, một mảng có kích thước bảng có thể cung cấp 20 Mb/s dịch vụ cho mỗi 1000 nhà bằng cách sử dụng thiết bị đặc biệt mà sẽ được sử dụng chỉ duy nhất cho ứng dụng này. Ngoài ra, một mảng lớn có thể cung cấp backhaul cho cơ sở trạm đó tế bào nhỏ phục vụ trong một khu vực đông dân cư. Do đó, chứ không phải là tư duy của MIMO lớn như là một đối thủ cạnh tranh để LTE, nó có thể là một enabler cho một cái gì đó là chỉ cần không bao giờ trước khi được coi là có thể với công nghệ không dây.Nghiên cứu hệ thống và quan hệ để tế bào nhỏ và không đồng nhất mạng giải pháp:Động lực lái xe lớn MIMO là cùng một lúc và quyết liệt tăng tốc độ dữ liệu và năng lượng hiệu quả tổng thể. Cách khác tiềm năng đạt mục tiêu này là mạng densification của việc triển khai của tế bào nhỏ, dẫn đến kiến trúc không đồng nhất, hoặc phối hợp của việc truyền tải nhiều trạm cá nhân cơ sở. Từ một quan điểm hoàn toàn cơ bản, yếu tố hạn chế cuối cùng của hiệu suất của bất kỳ mạng không dây dường như là sự sẵn có của thông tin trạng thái đủ tốt kênh (CSI) để tạo thuận lợi cho giai đoạn mạch lạc xử lý tại nhiều ăng ten hoặc nhiều điểm truy cập [20]. Xem xét các yếu tố như di động, Doppler ca, giai đoạn tiếng ồn, và đồng bộ hóa đồng hồ, Mua highquality CSI có vẻ là dễ dàng hơn với một mảng collocated lớn hơn trong một hệ thống nơi mà các ăng-ten được phân phối trên một khu vực địa lý rộng lớn. Nhưng cùng một lúc, một mảng phân phối hoặc giải pháp di động nhỏ có thể cung cấp đường dẫn đáng kể mất lợi nhuận và cũng sẽ cung cấp một số đa dạng chống lại bóng mờ dần. Các chi phí triển khai một mảng MIMO lớn và một hệ thống phân phối hoặc nhỏ tế bào cũng có khả năng rất khác nhau. Do đó, nghiên cứu kinh tế kỹ thuật và giao tiếp-lý thuyết là cần thiết để conclusively xác định phương pháp tiếp cận mà là tốt hơn. Tuy nhiên, nó có khả năng rằng các giải pháp chiến thắng sẽ bao gồm một sự kết hợp của tất cả các công nghệ có sẵn.Nguyên mẫu phát triển:Trong khi lớn MIMO là trong giai đoạn trứng của nó, cơ bản prototyping làm việc trên các khía cạnh khác nhau của công nghệ đang xảy ra ở các bộ phận khác nhau của thế giới. Thử nghiệm Argos [3] được phát triển ở Đại học Rice trong hợp tác với Alcatel-Lucent, và cho thấy khả năng cơ bản của khái niệm lớn MIMO sử dụng ăng-ten hoạt động thí 64. Đặc biệt, thử nghiệm cho thấy rằng TDD hoạt động dựa trên kênh tương hỗ có thể. Một trong những Đức tính của thử nghiệm Argos đặc biệt là nó là hoàn toàn mô-đun và khả năng mở rộng, và được xây dựng xung quanh thành phố thương mại có sẵn phần cứng (nền tảng dọc). Hệ thống thử nghiệm khác trên khắp thế giới cũng đã chứng minh khả năng cơ bản của mở rộng số lượng các ăng-ten. Thử nghiệm Ngara tại Úc [21] sử dụng một mảng 32-yếu tố trạm phục vụ lên đến 18 người dùng đồng thời với ghép kênh không gian thật sự. Thử nghiệm tiếp tục phát triển rất được mong muốn cho cả hai chứng minh khái niệm MIMO lớn với số lượng lớn hơn của ăng-ten và khám phá mới có khả năng các vấn đề khẩn trương cần nghiên cứu.

K ết lu ận Trong bài viết này, chúng tôi đã nêu bật những tiềm năng lớn của hệ thống MIMO lớn như một chìa khóa cho phép công nghệ cho tương lai vượt ra ngoài thứ tư hệ thống di động thế hệ (4G). Công nghệ cung cấp các lợi thế rất lớn trong điều khoản của năng lượng hiệu quả, hiệu quả quang phổ, mạnh mẽ, và độ tin cậy. Nó cho phép sử dụng phần cứng rẻ tại trạm lẫn phía đơn vị điện thoại di động. Tại trạm cơ sở sử dụng đắt tiền và mạnh mẽ, nhưng không hiệu quả năng lượng, phần cứng được thay thế bằng cách sử dụng lớn trong đơn vị song song rẻ lowpower hoạt động thí với nhau. Vẫn còn có những thách thức phía trước để nhận ra tiềm năng đầy đủ của công nghệ, ví dụ, tính toán phức tạp, thực hiện các thuật toán xử lý phân phối, và đồng bộ hóa của các đơn vị ăng-ten. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu ở học viện và ngành công nghiệp một mỏ vàng của những vấn đề nghiên cứu hoàn toàn mới để giải quyết.

Massive MIMO for Next GenerationWireless Systems

Massive MIMO cho hệ thống không dây thế hệ tiếp theoMulti-user MIMO offers big advantages over conventional point-to-point MIMO: it works with cheap single-antenna terminals, a rich scattering environment is not required, and resource allocation is simplified because every active terminal utilizes all of the time-frequency bins. However, multi-user MIMO, as originally envisioned, with roughly equal numbers of service antennas and terminals and frequency-division duplex operation, is not a scalable technology. Massive MIMO (also known as large-scale antenna systems, very large MIMO, hyper MIMO, full-dimension MIMO, and ARGOS) makes a clean break with current practice through the use of a large excess of service antennas over active terminals and time-division duplex operation. Extra antennas help by focusing energy into ever smaller regions of space to bring huge improvements in through put and radiated energy efficiency.

Đa người dùng MIMO đem lại lợi thế lớn so với MIMO điểm-tới-điểm thông thường: nó hoạt động với thiết bị đầu cuối đơn ăng ten giá rẻ, một môi trường có nhiều tán xạ là không cần thiết, và phân bổ nguồn lực được đơn giản hóa, vì mỗi thiết bị đầu cuối tích cực sử dụng tất cả các khe thời gian-tần số. Tuy nhiên, đa người dùng MIMO, như hình dung ban đầu, với số lượng tương đương của anten dịch vụ và thiết bị đầu cuối và phân chia tần số hoạt động song công, không phải là một công nghệ có thể mở rộng. MIMO Massive (còn được gọi là hệ thống quy mô lớn ăng-ten, MIMO rất lớn, MIMO hyper, đầy đủ chiều MIMO, và Argos) làm cho một break sạch với thực tế hiện nay thông qua việc sử dụng một sự dư thừa lớn của ăng-ten dịch vụ trên thiết bị đầu cuối tích cực và tốn nhiều thời gian bộ phận duplex. Anten bổ sung giúp tập trung năng lượng vào vùng nhỏ hơn của không gian để mang lại những cải tiến rất lớn trong sản lượng và bức xạ năng lượng hiệu quả.

Other benefits of massive MIMO include extensive use of inexpensive low-power components, reduced latency, simplification of the MAC layer, and robustness against intentional jamming. The anticipated throughput depends on the propagation environment providing asymptotically orthogonal channels to the terminals, but so far experiments have not disclosed any limitations in this regard. While massive MIMO renders many traditional research problems irrelevant, it uncovers entirely new problems that urgently need attention: the challenge of making many low-cost low-precision components that work effectively together, acquisition and synchronization for newly joined terminals, the exploitation of extra degrees of freedom provided by the excess of service antennas, reducing

internal power consumption to achieve total energy efficiency reductions, and finding new deployment scenarios. This article presents an overview of the massive MIMO concept and contemporary research on the topic.

Các lợi ích khác của MIMO lớn bao gồm sử dụng rộng rãi của các thành phần năng lượng thấp không tốn kém, giảm độ trễ, đơn giản hóa các lớp MAC, và chống mạnh can nhiễu có chủ ý. Các lưu lượng dự kiến phụ thuộc vào môi trường truyền cung cấp tiệm kênh trực giao với các thiết bị đầu cuối, nhưng các thí nghiệm cho đến nay đã không được tiết lộ bất kỳ hạn chế trong vấn đề này. Trong khi Massive MIMO đưa ra nhiều vấn đề nghiên cứu truyền thống không thích hợp, nó phát hiện ra vấn đề hoàn toàn mới mà khẩn trương cần chú ý: trong thử thách nhiều thành phần có độ chính xác thấp chi phí thấp mà hiệu quả làm việc với nhau, mua lại và đồng bộ cho thiết bị đầu cuối mới được tham gia, việc khai thác độ thêm tự do được cung cấp bởi các dư thừa của ăng-ten dịch vụ, giảm điện năng tiêu thụ nội bộ để đạt tổng số giảm hiệu quả năng lượng, và việc tìm kiếm các kịch bản triển khai mới. Bài viết này trình bày một cái nhìn tổng quan về khái niệm Massive MIMO và nghiên cứu hiện đại về chủ đề.

GOING LARGE: MASSIVE MIMO

Hướng đi lớn: Massive Mimo

Massive multiple-input multiple-output (MIMO) is an emerging technology that scales up MIMO by possibly orders of magnitude compared to the current state of the art. In this article, we follow up on our earlier exposition [1], with a focus on the developments in the last three years; most particularly, energy efficiency, exploitation of excess degrees of freedom, time-division duplex (TDD) calibration, techniques to combat pilot contamination, and entirely new channel measurements.

Multiple-input multiple-output Massive (MIMO) là một công nghệ đang nổi lên rằng quy mô lên MIMO bởi có thể các đơn đặt hàng của các cường độ so với tình trạng hiện nay của nghệ thuật. Trong bài viết này, chúng tôi tiếp tục theo dõi trình bày trước đó của chúng tôi [1], với một tập trung vào những phát triển trong ba năm gần đây; đặc biệt nhất, hiệu quả năng lượng, khai thác quá mức độ của sự tự do, định chuẩn phân chia thời gian song công (TDD), kỹ thuật để chống can nhiễu song mang, và các phép đo kênh hoàn toàn mới.

With massive MIMO, we think of systems that use antenna arrays with a few hundred antennas simultaneously serving many tens of terminals in the same time-frequency resource. The basic premise behind massive MIMO is to reap all the benefits of conventional MIMO, but on a much greater scale. Overall, massive MIMO is an enabler for the development of future broadband (fixed and mobile) networks, which will be energy-efficient, secure, and robust, and will use the spectrum efficiently. As such, it is an enabler for the future digital society

infrastructure that will connect the Internet of people and Internet of Things with clouds and other network infrastructure. Many different configurations and deployment scenarios for the actual antenna arrays used by a massive MIMO system can be envisioned (Fig. 1). Each antenna unit would be small and active, preferably fed via an optical or electric digital bus.

Với Massive MIMO, chúng tôi nghĩ rằng các hệ thống sử dụng các mảng ăng-ten với một vài trăm anten đồng thời phục vụ hàng chục thiết bị đầu cuối trong các nguồn tài nguyên thời gian-tần số như nhau. Những tiền đề cơ bản đằng sau MIMO lớn là để gặt hái những lợi ích của MIMO thông thường, nhưng trên một quy mô lớn hơn nhiều. Nhìn chung, Massive MIMO tạo khả năng cho sự phát triển của băng thông rộng trong mạng tương lai (cố định và di động), mà sẽ cho hiệu quả về năng lượng, an toàn, mạnh mẽ, và sẽ sử dụng phổ hiệu quả. Như vậy, nó tạo một khả năng cho các cơ sở hạ tầng xã hội kỹ thuật số trong tương lai sẽ kết nối Internet of people và Internet of Things với các đám mây và cơ sở hạ tầng mạng khác. Nhiều cấu hình khác nhau và các kịch bản triển khai cho các ăng-ten mảng thực tế được sử dụng bởi một hệ thống Massive MIMO có thể được hình dung (Fig. 1). Mỗi đơn vị ăng-ten sẽ nhỏ và tích cực, tốt cho ăn qua một bus quang kỹ thuật số hoặc điện.

Hình 1.Một số cấu hình có thể có ăng-ten và tình huống triển khai cho các trạm cơ sở MIMO lớn.

Massive MIMO relies on spatial multiplexing, which in turn relies on the base station having good enough channel knowledge, on both the uplink and the downlink. On the uplink, this is easy to accomplish by having the terminals send pilots, based on which the base station estimates the channel responses to each of the terminals. The downlink is more difficult. In conventional MIMO systems such as the Long Term Evolution (LTE) standard, the base station sends out pilot waveforms, based on which the terminals estimate the channel responses, quantize the thus obtained estimates, and feed them back to the base station. This will not be feasible in massive MIMO systems, at least not when operating in a high-mobility environment, for two reasons.

MIMO Massive dựa trên ghép kênh không gian, mà lần lượt dựa vào các trạm cơ sở có đủ kiến thức tốt kênh, trên cả đường lên và đường xuống. Trên đường lên, điều này là dễ dàng thực hiện bằng cách cho thiết bị đầu cuối đưa các song mang, trên cơ sở đó các trạm cơ sở ước tính các phản ứng kênh cho mỗi thiết bị đầu cuối. Các đường xuống là khó khăn hơn. Trong các hệ thống MIMO thường như Long Term Evolution (LTE) tiêu chuẩn, các trạm gốc sẽ gửi ra dạng sóng thí điểm, trên cơ sở đó các thiết bị đầu cuối ước tính đáp ứng kênh, lượng tử hóa dự toán do đó thu được, và cho chúng báo lại trạm gốc. Điều này sẽ không khả thi trong các hệ thống MIMO lớn, ít nhất là không phải khi hoạt động trong một môi trường di động cao, vì hai lý do.

First, optimal downlink pilots should be mutually orthogonal between the antennas. This means that the amount of time-frequency resources needed for downlink pilots scales with the number of antennas, so a massive MIMO system would require up to 100 times more such resources than a conventional system. Second, the number of channel responses each terminal must estimate is also proportional to the number of base station antennas. Hence, the uplink resources needed to inform the base station of the channel responses would be up to 100 times larger than in conventional systems. Generally, the solution is to operate in TDD mode, and rely on reciprocity between the uplink and downlink channels, although frequency-division duplex (FDD) operation may be possible in certain cases [2].

Đầu tiên, tối ưu các sóng mang đường xuống cần được hai bên trực giao giữa các ăng-ten. Điều này có nghĩa là số lượng tài nguyên thời gian-tần số cần thiết cho các sóng mang đường xuống quy mô với số lượng ăng ten, do đó, một hệ thống MIMO lớn sẽ yêu cầu lên đến hơn 100 lần so với các nguồn hệ thống thông thường. Thứ hai, số lượng câu trả kênh mỗi thiết bị đầu cuối phải ước lượng cũng là tỷ lệ thuận với số lượng anten trạm gốc. Do đó, các nguồn lực cần thiết để thông báo cho đường lên trạm gốc của các đáp ứng kênh sẽ được lớn hơn trong các hệ thống thông thường lên đến 100 lần. Nói chung, giải pháp là để hoạt động ở chế độ TDD, và dựa vào tương hỗ giữa đường lên và đường xuống kênh, mặc dù phân

chia tần số song công (FDD) hoạt động có thể có thể có trong một số trường hợp [2].

While the concepts of massive MIMO have been mostly theoretical so far, stimulating much research particularly in random matrix theory and related mathematics, basic testbeds are becoming available [3], and initial channel measurements have been performed [4, 5].

Trong khi các khái niệm về massive MIMO cho đến nay chủ yếu là lý thuyết, dù vậy đã kích thích nhiều nghiên cứu đặc biệt trong lý thuyết ma trận ngẫu nhiên và toán học liên quan, môi trường thử cơ bản trở thành có sẵn [3], và các phép đo kênh ban đầu đã được thực hiện [4, 5].