5G大规模MIMO射频链路压缩算法获突破!大幅降低硬件网络配置复杂性

5G即第五代移动通讯技术被称为下一代的无线数据网络，随着移动设备的数量和使用无线数据流量人数的指数级增长，要求着研究人员必须解决容量限制等问题。日前，  中国科学院沈阳自动化研究所（以下简称沈阳自动化所）与以色列魏茨曼科学院的科研团队合作，提出了针对多输入多输出 （ MIMO） 无线通信系统的射频链路压缩理论与算法，并搭建了相应的硬件原型系统，该成果为5G无线通信系统的部署提供了有效方案。

硬件原型系统信息流图（上），硬件原型系统及其子系统实物图（下）

相关研究成果以“RF Chain Reduction for MIMO Systems: A Hardware Prototype”为题，发表于《IEEE系统杂志》。

 研究背景

近年来，为提升无线通信系统容量，缓解频谱资源紧缺以及提升通信数据传输速率，配备大量天线阵列的大规模MIMO技术、利用高频段频谱资源的毫米波通信技术逐渐成为第五代移动通信（5G）的重要使能手段。

MIMO，是Multiple Input Multiple Output（多入多出）的缩写，MIMO技术的本质是多进多出的多天线技术，就是无线信号通过多个天线进行同步收发的技术。所以，一个无线通信系统只要其发射端和接收端同时都采用了多个天线，就构成了一个无线MIMO系统。在无线通信中，MIMO技术能在不增加带宽的前提下，成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。

从技术继承的角度来说，MIMO技术已经在4G通信中进行的充分的研究与实现，各项技术实现比较成熟，但是在4G通信中，MIMO天线数量较少，多为4个或者8个，天线数量少就限制了4G网络的通信容量。5G在4G研究的基础上，提出了大规模MIMO（massive MIMO）的概念，MIMO天线数量可以是成百上千个，而理论上的通信容量则是无限的。

然而，传统大规模MIMO技术采用每根天线配备一条射频链路的技术方案，其工作在毫米波频段时会面临巨大功耗和高昂成本等问题。因此，研究毫米波大规模MIMO射频链路压缩技术对部署5G无线通信系统具有重要意义。

 创新

科研团队发现，目前已有的方案只考虑了利用瞬时信道信息，导致配置频繁复杂度极高，且受无线信道量化精度影响，使得性能损失较大。

图形用户界面

沈阳自动化所工业通信与片上系统（iComSoC）团队与魏茨曼科学院SAMPL实验室针对上述关键问题，提出了利用信道二阶特性的全连接硬件网络方案来实现压缩射频链路，进而极大地降低了硬件网络配置的复杂度。

模拟组合器版图：模块示意图（上），电路版图（下）

以信道估计为优化准则，科研团队给出了噪声条件下的全连接复增益硬件网络配置的理论最优解，并通过提出多自由度的交替迭代优化算法，实现了逼近理论最优解的高性能全连接移相器硬件网络配置。科研团队还进一步搭建了实现相关理论与算法的硬件原型系统，在实际环境下验证了提出理论与算法的正确性。

相关论文信息：https://doi.org/10.1109/jsyst.2020.2975653