智能手機(jī)和平板電腦的激增所帶來(lái)的日益增長(zhǎng)的遠(yuǎn)程通信流量超過(guò)了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)容量的增長(zhǎng),。此外,，它還導(dǎo)致二氧化碳排放量大幅增加。

　　作為一種強(qiáng)有力的對(duì)策,，在信道矩陣滿秩的情況下,，MIMO技術(shù)有可能在適當(dāng)增加天線數(shù)量的情況下線性增加容量或減少發(fā)射功率。在5G和后續(xù)演進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)中,，MIMO將進(jìn)一步發(fā)展,。

　　本文針對(duì)MIMO的主要應(yīng)用場(chǎng)景做簡(jiǎn)要介紹。

　　應(yīng)用場(chǎng)景的定義是研究的一個(gè)重要步驟,，可為關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo),。如下表所示，所有這些不同網(wǎng)絡(luò)部署下的場(chǎng)景大致可以分為兩種類型,，即Case 1 ：只有宏站部署的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HomoNet）和Case2：具有宏站和小站的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNet),。

　　典型應(yīng)用場(chǎng)景

　　下面我們分別來(lái)看看同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,。

　　同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景

　　1.Multi-Layer分區(qū)

　　隨著城市環(huán)境中終端數(shù)量和承載的遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)的增加,，需要增加系統(tǒng)容量以滿足客戶需求。

　　傳統(tǒng)上,，功能分區(qū)技術(shù)用于向不斷增長(zhǎng)的人口提供服務(wù),，它只是將一個(gè)單元?jiǎng)澐譃槎鄠€(gè)扇區(qū),，從而增加網(wǎng)絡(luò)容量。通過(guò)允許一個(gè)eNB服務(wù)三個(gè)120°扇區(qū)或六個(gè)60°扇區(qū),，也可以降低設(shè)備成本,。然而，盡管扇區(qū)化能夠改善區(qū)域帶寬效率（BE）,，但這種好處是由于以犧牲非理想扇區(qū)-天線模式而可能增加扇區(qū)之間的干擾為代價(jià)的,。因此，需要更有效的技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高可實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)容量,。

　　如圖1所示,，通過(guò)水平進(jìn)行高選擇性角波束形成，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的精確扇形,，可以減少扇形之間的干擾,。此外，通過(guò)調(diào)整三維波束形成的仰角,，可以改變各波束的覆蓋范圍,。這樣，傳統(tǒng)的固定扇區(qū)可以進(jìn)一步劃分為內(nèi)扇區(qū)和外扇區(qū),，每個(gè)扇區(qū)都可以由水平方向相同但仰角不同的三維波束賦形(BF)服務(wù),。相同頻率的無(wú)線電資源被所有扇區(qū)重用，這能夠顯著增加服務(wù)的終端數(shù)量和/或提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量,。

　　圖1 Multi-Layer分區(qū)示意圖

　　2.自適應(yīng)波束賦形

　　固定BF之所以被稱為固定BF,，是因?yàn)樘炀€陣列（AA）中每個(gè)元素的信號(hào)相乘的權(quán)重在操作過(guò)程中保持不變。相反,，自適應(yīng)BF的權(quán)值會(huì)根據(jù)接收到的信號(hào)不斷更新,，以抑制空間干擾，如圖2所示,。這個(gè)過(guò)程可以在時(shí)域(TD)或頻域(FD)中進(jìn)行,。與二維(2D)自適應(yīng)BF相比，三維（3D）BF在空間域的無(wú)線電資源復(fù)用方面具有更大的靈活性,。

　　圖2 自適應(yīng)波束賦形示意圖

　　3.大規(guī)模協(xié)作

　　現(xiàn)有的大多數(shù)關(guān)于大規(guī)模MIMO的研究都顯示了在一個(gè)單一基站上安裝大量天線的共存部署方案的不同好處,。然而，這種協(xié)同部署對(duì)其硬件設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)部署都帶來(lái)了挑戰(zhàn),。另一方面,，與空間分離天線相關(guān)的分布式天線系統(tǒng)(DAS)已被設(shè)想為使用適當(dāng)數(shù)量的天線來(lái)提高室內(nèi)覆蓋。最近的研究表明,，DAS除了改善其覆蓋范圍外,，還能夠顯著增加網(wǎng)絡(luò)的BE，即使在存在小區(qū)間干擾(ICI),。這促使研究人員識(shí)別如圖3所示的特定場(chǎng)景,，其中大規(guī)模MIMO與分布式架構(gòu)相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)優(yōu)于依賴于共位置部署的系統(tǒng),。

　　圖3 大規(guī)模協(xié)作示意圖

　　分布式大規(guī)模MIMO的優(yōu)勢(shì)是可信的，因?yàn)閺姆植际教炀€到達(dá)每個(gè)UE的信號(hào)受獨(dú)立的大規(guī)模隨機(jī)衰落水平的影響,，從而導(dǎo)致其潛在的容量增益超過(guò)其對(duì)應(yīng)的值,。然而，通過(guò)協(xié)調(diào)小區(qū)內(nèi)干擾來(lái)實(shí)現(xiàn)這些增益可能是一個(gè)挑戰(zhàn),，特別是在小區(qū)內(nèi)有幾十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU)的情況下,。雖然充分協(xié)作是消除小區(qū)內(nèi)干擾的一種有效方法，但由于它高度依賴于完全信道狀態(tài)信息(CSI)共享,，因此不具有實(shí)用性,。為了在達(dá)到的性能和施加的開(kāi)銷之間達(dá)成優(yōu)雅的平衡，在這種情況下,，高效的大規(guī)模協(xié)作方案是非常重要的,。

　　此外，分布式大規(guī)模MIMO和小型單元部署可能被視為互補(bǔ)而不是競(jìng)爭(zhēng),。例如一些文獻(xiàn)提出的由DAS和皮站蜂窩-宏站蜂窩底層系統(tǒng)組成的協(xié)同蜂窩體系結(jié)構(gòu),，該體系結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)展到與分布式大規(guī)模MIMO協(xié)同工作。

　　異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景

　　1.無(wú)線回傳

　　在能耗和面積帶寬效率方面,，具有密集small cell的HetNet被認(rèn)為是一種很有前途的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),。它通常由多種類型的無(wú)線接入節(jié)點(diǎn)組成，例如,，一個(gè)macroc -cell eNB (MeNB)和多個(gè)small-cell eNB (SeNB),，如pico, femto和中繼eNB。所有senb需要通過(guò)有線或無(wú)線回程連接到他們的捐贈(zèng)menb,。一般來(lái)說(shuō),無(wú)線回程比有線回程更可取,，因?yàn)橐子诓渴稹Ｔ谶@種情況下,，在HetNet中,，MeNB上使用了一個(gè)巨大的MIMO，它有很高的自由度支持多種無(wú)線回傳,。

　　如圖4所示,，相同的頻譜可以在無(wú)線回程、宏蜂窩終端(MUE)和小蜂窩終端(SUE)的訪問(wèn)中重復(fù)使用,。換句話說(shuō),，SeNB可以被視為一種通過(guò)無(wú)線回程與MeNB通信的特殊終端。由于eNB的位置通常是固定的,，無(wú)線回程的信道可能是準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)變的,。因此，MeNB能夠通過(guò)預(yù)編碼的方式消除無(wú)線回程與MUE之間的干擾。

　　圖4 無(wú)線回傳圖示

　　2.熱點(diǎn)覆蓋

　　統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,，大部分的遠(yuǎn)程通信來(lái)源于建筑物，如超市,、辦公樓,、體育館等。因此, 對(duì)于HetNet來(lái)說(shuō),，高質(zhì)量的建筑的室內(nèi)覆蓋被認(rèn)為是最關(guān)鍵的場(chǎng)景之一,。由于遠(yuǎn)程通信是在建筑物的不同高度產(chǎn)生的，傳統(tǒng)的采用固定Downlink (DL)傾斜的AA,，主要用于UE在街道層面漫游,，不再適合這種場(chǎng)景。大型AA能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整波束的方位角和俯仰角,。它可以將光束直接傳輸?shù)浇ㄖ锊煌瑯菍拥慕K端,，從而顯著提高系統(tǒng)吞吐量。然而,，當(dāng)建筑的室內(nèi)覆蓋由MeNB提供一個(gè)巨大的AA,，可調(diào)節(jié)范圍俯仰角比SeNB小，角度分辨率不能滿足UE的需求,，如圖5所示,。眾所周知，SeNB和SUE之間的近距離可以減少路徑損失,。因此,，配備大規(guī)模AA的SeNB更適合內(nèi)置覆蓋率，前提是部署成本是可接受的,。

　　圖5 熱點(diǎn)覆蓋示意圖

　　3.動(dòng)態(tài)小區(qū)

　　由于在HetNet中,，從MeNB收集到的參考信號(hào)接收功率(Reference Signal Received Power, RSRP)通常要高于從SeNB收集到的RSRP，因此可能會(huì)有更多的終端連接到MeNB,，導(dǎo)致大cell和小cell之間潛在的流量分布不平衡,。小區(qū)范圍擴(kuò)展(CRE)技術(shù)可用于將通信量從宏小區(qū)轉(zhuǎn)移到小小區(qū)。然而,，由于受到MeNB的強(qiáng)干擾,，在擴(kuò)展范圍內(nèi)的UE以某種方式被迫接觸到小的cell，可能會(huì)經(jīng)歷低SINR,。這可能會(huì)導(dǎo)致他們之間不可靠的通信SeNB,。為了解決這一問(wèn)題，可以采用幾乎空白子幀(ABS)技術(shù),，通過(guò)時(shí)域協(xié)調(diào)來(lái)減少M(fèi)eNB的干擾,。也就是說(shuō)，服務(wù)質(zhì)量(QoS)的性能以犧牲多路復(fù)用增益為代價(jià)提高了擴(kuò)展范圍內(nèi)的多路等效系數(shù),。

　　通過(guò)在seNB中引入大量的原子吸收信號(hào),，發(fā)射信號(hào)的下傾角可調(diào),，獲得了較好的接收質(zhì)量。如圖6所示,，它有助于自適應(yīng)地?cái)U(kuò)大或縮小cell的半徑,，即Dynamic cell。因此,，位于小cell邊緣的UE可以根據(jù)其接收功率等級(jí)選擇自適應(yīng)連接到SeNB,。它適用于擴(kuò)展范圍內(nèi)的宏小區(qū)和小小區(qū)之間的流量平衡。

　　圖6 動(dòng)態(tài)小區(qū)示意圖

　　總結(jié)

　　本文將大規(guī)模MIMO的典型應(yīng)用場(chǎng)景分為兩類,，即具有大規(guī)模MIMO的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),。前者僅采用宏站部署，包括多層分區(qū),、自適應(yīng)波束形成和大規(guī)模協(xié)作,。多層扇區(qū)能夠通過(guò)分割扇區(qū)來(lái)增加復(fù)用增益。自適應(yīng)波束形成利用極窄的波束將輻射能量聚焦到期望方向,，能夠提高終端的期望信噪比,，同時(shí)減少對(duì)其他終端的干擾。與傳統(tǒng)的DAS技術(shù)相比,，大規(guī)模協(xié)作通過(guò)擴(kuò)大協(xié)調(diào)的分布式天線數(shù)量,，能夠進(jìn)一步提高覆蓋范圍和可實(shí)現(xiàn)吞吐量。

　　在具有大量MIMO的HomoNet的情況下,，有三種典型的應(yīng)用場(chǎng)景,。首先，在MeNB和SeNB之間采用大規(guī)模MIMO的無(wú)線回程比有線回程更靈活,，成本更低,。然后，具有巨大AA的SeNB能夠自適應(yīng)調(diào)整方位角和仰角,，以提高室內(nèi)熱點(diǎn)(如建筑物)的覆蓋率,。此外，HetNet中的小區(qū)半徑是動(dòng)態(tài)可調(diào)的,，可以通過(guò)改變仰角來(lái)平衡MeNB和SeNB之間的負(fù)載,。

　　基于以上討論，大規(guī)模MIMO有望應(yīng)用于多種場(chǎng)景,，以提高可達(dá)容量和吞吐量,。然而，在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)部署中,，仍然需要大量的研究,。

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