[论文解读] Massive MIMO: 10 Myths and One Grand Question.

Emil Björnson, Erik G. Larsson+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 15被引用 24

一句话总结

本文驳斥了关于大规模MIMO的10个普遍误解，澄清了关于无限天线、过度复杂性和不切实际的阵列尺寸的误解。文章认为，大规模MIMO不仅可行，而且通过实际的有限天线阵列和先进的信号处理技术，能够显著提升频谱效率和能量效率，同时提出了一个关于最优部署权衡的宏大研究问题。

ABSTRACT

Wireless communications is one of the most successful technologies in modern years, given that an exponential growth rate in wireless traffic has been sustained for over a century (known as Cooper's law). This trend will certainly continue driven by new innovative applications; for example, augmented reality and internet-of-things. Massive MIMO (multiple-input multiple-output) has been identified as a key technology to handle orders of magnitude more data traffic. Despite the attention it is receiving from the communication community, we have personally witnessed that Massive MIMO is subject to several widespread misunderstandings, as epitomized by following (fictional) abstract: Massive MIMO technology uses a nearly infinite number of high-quality antennas at the base stations. By having at least an order of magnitude more antennas than active terminals, one can exploit asymptotic behaviors that some special kinds of wireless channels have. This technology looks great at first sight, but unfortunately the signal processing complexity is off the charts and the antenna arrays would be so huge that it can only be implemented in millimeter wave bands. The properties above are, in fact, completely false. In this article, we identify 10 myths and explain why they are not true. We also ask a grand question that will require intense future research activities to answer properly.

研究动机与目标

• 识别并纠正阻碍大规模MIMO采用和研究的广泛误解。
• 澄清大规模MIMO并不要求无限天线或难以承受的复杂信号处理。
• 证明大规模MIMO在低于6 GHz的频段中是可行的，而不仅限于毫米波。
• 挑战大规模MIMO阵列过大而无法实际部署的观念。
• 提出一个关于大规模MIMO系统设计中最佳权衡的宏大研究问题。

提出的方法

• 分析无线信道的渐近特性，以表明大规模MIMO的性能增益源于大但有限的天线阵列。
• 将关于无限天线和极端复杂度的虚构说法与实际中使用的信号处理技术进行对比。
• 强调信道硬化和有利传播特性使得使用有限且实际的天线数量也能实现稳健性能。
• 证明大规模MIMO通过相干波束成形和干扰抑制技术，能够实现高谱效率和高能量效率。
• 使用理论分析和系统级推理，反驳关于阵列尺寸和毫米波专属性的说法。
• 提出一个宏大研究问题，以指导未来在系统级优化和部署权衡方面的研究工作。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何认为大规模MIMO需要无限数量天线的观念被视为一个根本性误解？
• RQ2 大规模MIMO如何在不引发难以承受的信号处理复杂度的情况下实现高谱效率？
• RQ3 在低于6 GHz频段与毫米波频段部署大规模MIMO的实际限制是什么？
• RQ4 为何关于大规模阵列尺寸不切实际的说法无法得到当前系统设计的支持？
• RQ5 在优化大规模MIMO以实现现实世界部署方面，关键的开放研究挑战是什么？

主要发现

• 大规模MIMO并不要求无限天线；实际尺寸的有限阵列即可带来显著的性能增益。
• 大规模MIMO中的信号处理复杂度是可控的，并且由于有利传播和信道硬化特性，其复杂度随阵列尺寸增加而有利地增长。
• 大规模MIMO不仅限于毫米波频段，在低于6 GHz的频段中同样表现良好。
• 大规模MIMO中的天线阵列并非大到无法部署；现代硬件和紧凑设计使得部署成为可能。
• 信道的渐近行为使得即使使用有限数量的天线，也能实现稳健性能，而无需无限数量的天线。
• 在大规模MIMO部署中优化系统级权衡方面，仍存在一个宏大的研究问题，尤其涉及硬件、频谱效率和能耗。