5G 通信系统 massive MIMO-FBMC 技术综述

摘要 为了应对第五代移动通信（5G）中更高数据率和更低时延的需求，大规模MIMO

（massive multiple-input multiple-output）技术已经被提出并被广泛研究。大规模 MIMO技术能大幅度地提升多用户网络的容量。而在5G中的带宽研究方面，特别 是针对碎片频谱和频谱灵活性问题，现有的正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）技术不可能应对未来的挑战，新的波形方案需要 被设计出来。基于此，FBMC（filter bank multicarrier）技术由于具有比OFDM低 得多的带外频谱泄露而被受到重视，并已被标准推进组IMT-2020列为5G物理层 的主要备选方案之一。

本文首先回顾了5G中波形设计方案（主要是FBMC调制）和大规模多天线系 统（即massive MIMO）的现有工作和主要挑战。然后，简要介绍了基于Massive MIMO的FBMC系统中的自均衡性质，该性质可以用于减少系统所需的子载波数 目。同时，FBMC中的盲信道跟踪性质可以用于消除massive MIMO系统中的导频 污染问题。尽管如此，如何将FBMC技术应用于massive MIMO系统中的误码率、 计算复杂度、线性需求等方面仍然不明确，未来更多的研究工作需要在massive MIMO-FBMC方面展开来。

关键词：大规模MIMO；FBMC；自均衡；导频污染；盲均衡

目  录

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

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

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

2      技术背景简介...................................................................................................... 3

2.1   massive MIMO 技术.................................................................................... 3

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

2.1.2 点对点 MIMO..................................................................................... 4

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

2.2   FBMC 技术.................................................................................................. 7

3      massive MIMO-FBMC 的结合问题............................................................... 10

3.1    信道均衡问题............................................................................................ 10

3.2    导频污染问题............................................................................................ 11

4      结语..................................................................................................................... 13

参考文献.................................................................................................................... 14

1 引言

Massive MIMO（又称 large scale MIMO）技术，是指基站端采用大规模天线 阵列，天线数超过十根甚至上百根，并且在同一时频资源内服务多个用户的多天 线技术，该技术由贝尔实验室的 Marzetta 于 2010 年首次提出，目前已成为 5G 无线通信领域最具潜力的研究方向之一[1,2]。与传统的 MIMO 相比，Massive MIMO 不同之处主要在于，天线趋于很多（无穷）时信道之间趋于正交，这使得 系统的很多性能都只与大尺度相关，与小尺度无关。特别是在 TDD 大规模 MIMO 系统中，基站可以通过反向链路的导频序列来估计出下行链路的信道状态信息

（CSI），无需基站间协作，仅采用简单的预处理即可降低小区间和用户间干扰， 并且非相关的加性噪声和快衰落随着天线数的无限增加而消失[3]。

Marzetta 等人在研究 massive MIMO 时，均使用 OFDM 技术将移动用户和基 站多天线之间的频率选择性信道变成一系列的平坦衰落信道。传统的 OFDM 虽 然能达到很小的复杂度和非常高的带宽效率，但在应用到更复杂的动态或多用户 网络中时，却存在难以实现严格同步（移动环境下的多普勒效应）和非连续频带 的传输（谱泄漏严重）两大主要问题，而滤波器组多载波（Filter Bank Multicarrier， FBMC）技术通过使用时频聚焦性良好的滤波器解决了上述问题[4]。与 OFDM 技 术不同，FBMC 中：

1）原型滤波器的冲击响应和频率响应可以根据需要进行设计，各载波之间 不再必须是正交的，不需要插入循环前缀，从而获得了更高的带宽效率；

2）能实现各子载波带宽设置、各子载波之间的交叠程度的灵活控制，从而 可灵活控制相邻子载波之间的干扰，并且便于使用一些零散的频谱资源；

3）各子载波之间不需要同步，同步、信道估计、检测等可在各子载波上单 独进行处理，因此尤其适合于难以实现各用户之间严格同步的上行链路。

FBMC 作为 OFDM 的备选技术之一，已被证明能很好的适用于认知无线电 通信、双色散信道通信、数字用户线（DSLs）和电力线通信（PLC）[5]，具有较 强的发展潜力，但关于将 FBMC 作为 Massive MIMO 系统调制方案的研究才刚刚开始[6]。本文主要对 massive MIMO-FBMC 现有技术进行调研，旨在为未来

massive MIMO-FBMC 的研究提供思路。

2 技术背景简介

2.1  massive MIMO 技术

大规模 MIMO 技术是指基站端采用大规模天线阵列，天线数超过十根甚至 上百根，并且在同一时频资源内服务多个用户的多天线技术。与传统的 MIMO 相比，大规模 MIMO 不同之处主要在于，天线趋于很多（无穷）时信道之间趋 于正交，这使得系统的很多性能都只与大尺度相关，与小尺度无关。并且，在 TDD 大规模 MIMO 系统中，基站可以通过反向链路的导频序列来估计出下行链 路的信道状态信息（CSI），无需基站间协作，仅采用简单的预处理即可降低小区 间和用户间干扰。同时，非相关的加性噪声和快衰落随着天线数的无限增加而消 失。

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5G通信系统中massive-MIMO-FBMC技术的结合概述.docx