面向超5G/6G的分布式天线MIMO系统：零空间扩展技术抗信道时变性能研究

《IEICE Transactions on Communications》：Null-space expansion applications to MIMO with distributed antennas

本文针对移动通信中信道快速变化导致的MIMO信号分离性能下降问题，研究了基于零空间扩展（NSE）的干扰抑制技术。研究团队通过理论分析、仿真验证和实地测试，证实了NSE技术在分布式子阵列天线和终端协作MIMO场景下能有效提升系统对时变信道的鲁棒性，显著改善信干噪比（SINR）和误码率（BER）性能，为超5G/6G移动通信系统设计提供了重要技术支撑。

　　

随着智能手机等移动通信设备的快速普及，无线通信流量呈现爆发式增长。在有限的频谱资源下实现高速率、大容量的数据传输已成为5G及未来6G通信系统的核心挑战。多输入多输出（MIMO）技术通过在同一频段同时传输多个数据流（称为流）显著提升了系统容量，而大规模MIMO（massive MIMO）和分布式天线技术进一步拓展了其应用场景。然而，在移动通信环境中，信道条件会因用户终端的移动而快速变化，导致传统的空间滤波权重（如基于零强迫（ZF）或最小均方误差（MMSE）准则计算的权重）在数据包或时隙内保持固定时，其与干扰信号之间的正交性被破坏，引起干扰泄漏，从而降低系统性能。虽然可通过缩短参考符号（RS）的间隔来缓解这一问题，但会引入额外的传输开销。现有的信道预测技术对快衰落的时变特性抑制效果有限。

为解决上述挑战，日本福冈大学、山口大学及NTT接入网服务系统研究所的研究团队在《IEICE Transactions on Communications》上发表了题为“Null-space Expansion Applications to MIMO with Distributed Antennas”的论文，系统探讨了零空间扩展（NSE）技术在分布式天线MIMO系统中的应用。NSE技术的基本思想是利用接收端额外的天线自由度，通过将过去若干个时刻的干扰信道信息纳入权重计算，构建一个扩展的零空间，使得组合权重不仅对当前干扰信道正交，也对过去一段时间内的干扰信道近似正交。如图1所示，在MU-MIMO（多用户MIMO）中，基站（BS）利用额外的天线自由度形成扩展的零点，即使信道随时间变化，也能更好地抑制用户间干扰（IUI）。该技术此前已在集中式天线阵列的MIMO系统中显示出优越性，本研究则将其拓展至基站侧分布式子阵列天线环境以及终端协作MIMO系统。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：首先是零空间扩展权重生成算法，通过构建包含当前及过去时刻干扰信道向量的扩展信道矩阵，基于ZF或MMSE准则计算信号分离权重；其次是计算机仿真，用于评估分布式子阵列天线MIMO系统中不同天线单元间距下NSE对信干比（SIR）和信干噪比（SINR）的影响，仿真参数包括Jakes信道模型、200公里/小时的移动速度等；第三是实验室实验，利用软件定义无线电（USRP）构建4发12收的MIMO系统，在频率域进行MMSE均衡，并比较采用NSE（N_e=1）与不采用（N_e=0）时的误码率性能；最后是外场试验，在山口大学校园内部署分布式基站天线和车载移动终端，在实际室外环境下（含视距路径）验证NSE技术在终端协作MIMO下行链路中的有效性。

3. 应用于子阵列分布式多用户大规模MIMO的性能

仿真结果表明，NSE技术能有效提升分布式子阵列MIMO系统的性能。随着天线单元间距从半波长（λ/2）增加到1波长（1λ）附近，SIR和SINR性能先提升后下降，在1λ附近达到最优。这是因为适度的天线间距既能利用空间分集效应提高空间分辨率，又保持了信道向量在时间上的相关性，有利于NSE技术抑制因信道时变引起的干扰。当间距过大（如8λ甚至100λ模拟独立同分布信道）时，信道自相关性降低，导致基于过去信道信息的零空间扩展效果减弱。在不同累积分布函数（CDF）值下，NSE（N_e=1,2,3）均比传统方法（N_e=0）表现出更优的SIR和SINR。

4. 应用于终端协作MIMO传输的频率域线性接收

在终端协作MIMO系统中，多个移动终端（MS）通过协作等效地增加了接收天线数量。本研究将NSE技术应用于该系统的下行链路频率域MMSE均衡。实验室实验在最大多普勒频率为400 Hz的快衰落信道下进行，结果显示，采用NSE（N_e=1）并结合头尾训练序列（TS）信道状态信息（CSI）的平均方法，其误码率性能相比仅使用头部TS且不扩展零空间（N_e=0）的方法提升了两个数量级以上，且仿真与实验结果高度吻合。

外场试验在真实室外环境（存在视距路径，Rician K因子估计为8.9 dB）下进行，车辆以20公里/小时和30公里/小时的速度移动。结果表明，尽管存在强直射路径，但由于接收天线数量充足，MIMO传输和NSE技术仍能有效工作。随着速度增加，BER性能有所下降，但应用NSE技术后，BER得到显著改善。在20公里/小时（f_DT_s=1.0×10^-4）时，BER降低了一个数量级以上，证明了NSE技术在真实移动环境中的有效性。

本研究通过理论分析、仿真和实验系统验证了零空间扩展技术在应对MIMO系统信道时变挑战方面的有效性和普适性。对于分布式子阵列天线MIMO，研究确定了天线单元间距的优化区域（约1波长），并揭示了空间分集效应与信道时变相关性之间的平衡关系。对于终端协作MIMO系统，首次将NSE技术成功应用于频率域均衡，并在实验室和外场环境中证实其能显著提升高速移动场景下的接收性能。该技术为超5G/6G时代分布式网络架构下的可靠高速无线通信提供了有前景的解决方案，未来可进一步研究其在其他信道条件和系统配置下的应用潜力。