5G通信系统中massive MIMO-FBMC技术的结合概述

p??CK??M?log2det?IM?dHHH?M??Kp?log2det(IM?dIM)M??Npd?1?00???M????log2det??0?0???Npd??01????0M?M?M??Kp?Mlog2(1?d)M?? ??????(2-13)

2.1.3 多用户MIMO(MU-MIMO)

相对于单用户MIMO，多用户MIMO可以通过多用户复用策略来得到多址接入增益。并且，众多限制单用户MIMO性能的因素对多用户MIMO并没有多大影响，比如天线相关性较高或视线距离(LOS)传播造成的信道矩阵秩的缺失，从而导致单用户复用增益的降低。对于多用户MIMO而言，如果多用户分集增益可以被提取出来，信道矩阵秩的减少并不能造成太大危害。

在上行链路中，假设每个基站天线数为M，单天线用户数为K，则信道传输矩阵G可以表示为

?M?K?GUL?HD1/2

?M?K??K?K?(2-14)

其中H、D分别表示小尺度衰落和大尺度衰落。根据上一小节的推导可知

?GG????M?M??KH?HHH??K?M??M?K??1/2?D1/2?D?D

??M??(2-15)

对于上行信号传输，基站接收信号可以表示为

y?pu[M?K][K?1]Gx?n

[K?1](2-16)

MU-MIMO上行信道的容量为

Csum_UL?log2det(IK?puGHG)

(2-17)

当基站天线数趋近于无穷大时有

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Csum_UL M>>K?log2det(IK?MpuD)

(2-18)

此时使用MRC进行信号检测便可达到系统的最大容量。下行链路的推导过程类似。

在TDD大规模MIMO多小区中的各用户（通常假设配置单个天线）向基站发送相互正交的导频信号，基站利用接收到的导频信号，获得上行链路信道参数的估计值，再利用 TDD 系统上下行信道的互易性，获得下行链路信道参数的估 计值，由此实施上行检测和下行预编码传输。

注意到，随着用户数目的增加，用于信道参数估计的导频开销随之线性增加，特别是在中高速移动通信场景，导频开销将会消耗掉大部分的时频资源，成为系统的“瓶颈”。因此，开展导频受限条件下的TDD大规模MIMO信道信息获取技术研究具有重要的实际应用价值。同时，在多小区大规模MIMO-TDD系统中，当基站通过上行链路用户发送的导频序列估计信道时，系统会存在导频污染问题，这在很大程度上限制了Massive MIMO技术的性能优势。如何将导频污染的影响降低到最小，或者采用何种检测方式可以降低系统的导频污染，需要进一步深入研究。

2.2 FBMC技术

得益于其低带外泄露的特性，FBMC技术已展现出取代OFDM技术的巨大潜力。通常来讲，FBMC技术包括以下三种实现方式：

(1) 滤波多音调制（Filtered Multitone，FMT）[7]：FMT是传统频分复用概念的

简单扩展。在FMT中，输入符号通常采用QAM调制，并且子载波之间没有交叠。为了保证子载波不交叠，通常需要进行过采样为相邻子载波增加保护间隔。因此，FMT会导致频率利用率下降。

(2) 余弦多音调制（Cosine Modulated Multitone，CMT）[8]：在CMT中，输入符

号采用脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation，PAM），并且子载波之间允许交叠。为实现最大频谱利用率，需要在CMT中使用残留边带调制。 (3) 偏移正交振幅调制-OFDM（Offset Quadrature Amplitude Modulation-OFDM，

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OQAM-OFDM）[9]：在OQAM-OFDM中，输入的是OQAM调制符号，即QAM符号的实部与虚部在时间上错开半个符号周期。OQAM-OFDM允许子载波之间存在交叠，并且能够达到最大频谱利用率。

由于OQAM-OFDM能够提供与OFDM相同的频谱利用率，其OQAM调制符号与OFDM中的QAM调制符号具有相似性，并且相对于其他两种实现方式更受到国内外研究团队的关注，因此本小节余下部分将主要简述OQAM-OFDM技术的基本原理。

典型的OQAM/OFDM系统的基带传输模型如图2-1中所示：

ej?n2e?M2?j?n2a0,nej?(1?n)2g[k]ej2?kMg[k]e?j2?kM?M2?0,nae?j?(1?n)2a1,nM?2g[k]?S[k]信道r[k]g[k]?M2?1,na......eaM?1,n......j?(M?1?n)2?M2g[k]ej2?(M?1)kMej2?(M?1)kMe?M2?j?(M?1?n)2g[k]?M?1,na

图2-1 OQAM/OFDM系统的基带传输模型

在该系统中，子载波数是M，子载波间隔是1/T，其中T表示符号映射后的符号间隔。am,n表示在时频点（m,n）位置处的实值传输符号，其中m、n分别指时间和子载波频率，并且相邻的传输符号am,2k和am,2k?1分别来自于正交幅度调制（QAM）映射后符号的实部和虚部。g[k]表示实对称原型滤波器。OQAM/OFDM系统的基带等效发送信号可以表示为

?mkj?(m?n)Mj2Ms[k]???am,ng[k?n]ee2.

2m?0n??M?1(2-19)

发送信号在接收之前会受到信道和噪声的影响，令h[k]表示OQAM/OFDM信号所经过的多径衰落信道，?[k]表示均值为0、方差为?的复值加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise, AWGN），则接收信号r[k]可以表示为

2r[k]?s[k]?h[k]??[k].

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(2-20)

对接收信号进行解调后，可获得时频点(m0,n0)处的解调符号为

?m0,n0y?m0k?j?(m0?n0)M?j2M2??r[k]g[k?n0]ee??m0,n0,

2k????(2-21)

其中?m0,n0表示加性高斯白噪声的解调符号，可以表示为

?m,n00?m0k?j?(m0?n0)M?j2M2???[k]g[k?n0]ee.

2k????(2-22)

和OFDM系统不同的是，OQAM/OFDM系统的正交条件仅在实数域内成立，即

*?{?gm,n[k]gm[k]}??m,m0?n,n0, 0,n0k????(2-23)

其中?是狄拉克函数，满足当m?m0时?m,m0?1，当m?m0时?m,m0?0。我们定义

?m,nm0,n0?k????g?m,n*[k]gm[k]. 0,n0(2-24)

m,nm,n?m?1?显然，当m?m0且n?n0时，，其他任何情况下都是一个纯虚数。,nm000,n0m,n令m?m0?p，n?n0?q，从文献[10]中可知?m的值仅和p，q的大小相关，0,n0m,n并且当使用的原型函数有良好的时频聚焦特性时，?m的值随着|p|，|q|的增0,n0大而逐渐趋近于0。比如，当使用各向同性正交变换（Isotropic Orthogonal Transform Algorithm, IOTA）函数作为原型函数时，可以得到当|p|?1或|q|?1时，

m,n?m理论上讲，如果能在信号传输中保证实域正交条件的成立，就,n近似等于0。

00可以在接收端完美的恢复出发送数据。

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