以用户为中心的无蜂窝大规模MIMO网络架构

        当今数字化时代，为了应对移动数据流量呈指数级增长的趋势，网络基础设施的致密化成为关键策略，主要表现为超密集网络（UDN）以及大规模多输入多输出（mMIMO）技术的发展。在这种组网方式中，小区间干扰成为一个突出的难题。随着蜂窝密度的增加，相邻小区之间的干扰愈发严重，影响了数据传输的质量和稳定性。此外，UDN还导致了服务质量波动，不同区域的用户可能会体验到截然不同的网络性能，这对用户在网体验造成了较大影响。

        为了解决这些问题，以用户为中心的无蜂窝大规模MIMO网络（cell-free massive MIMO，以下简称CF-mMIMO）架构应运而生。

当前网络的挑战

        在当前现网之中，存在若干覆盖重叠度高、上下行干扰大且用户体验不佳的典型组网场景，如小范围密集组网、室内外宏微协同、低空覆盖场景，这些场景正是以用户为中心的CF-mMIMO网络架构的应用场景（见图1）。小范围密集组网场景，典型代表包括城区高价值区域、校园以及大型体育场馆。在此场景下，小区间重叠覆盖程度较大，小区间干扰显著，并且区域话务量高。室内外宏微场景，典型场景涵盖办公楼靠窗区域、机场等。该场景的特点为宏微下行覆盖与上行路损不对称，室内外交界区域干扰严重。而随着低空经济成为国家新质生产力的典型场景之一，低空覆盖场景也越来越多。在低空覆盖场景中，无人机上行信号能够被更多地面同频邻区接收，同时无人机相对地面也能接收到更多同频邻区信号，上下行干扰更大。此外，还存在因低空旁瓣覆盖而导致的频繁切换和越区覆盖问题。

无蜂窝大规模MIMO网络架构的优势

        在CF-mMIMO网络中，每个用户都被视为中心，通过分布式天线单元的协同工作，为每个用户提供个性化的服务，实现更高的频谱效率、能量效率和更好的用户体验。传统蜂窝网络和以用户为中心的CF-mMIMO网络对比如图2所示。

• 消除小区边缘问题，扩大网络覆盖范围

        传统蜂窝网络中存在小区边缘问题，信号在边缘区域往往较弱，影响用户的通信体验。而在CF-mMIMO网络中，网络根据用户的位置、业务需求和信道条件动态地为其分配一个协作服务的收发射机集群，可以有效消除信号盲区，确保无论用户身处何处，都能接收到稳定的信号。这种全面的信号覆盖不仅提高了网络的可用性，还为用户提供了更加可靠的通信服务。

• 实现精确控制与干扰抑制，降低干扰水平

        在传统蜂窝网络中，干扰是影响通信质量的一个重要因素。CF-mMIMO网络通过协调控制分布式天线节点的信号发射，减少信号传播路径的重叠，从而降低了干扰的发生概率，对干扰进行了有效抑制，提高信号的质量和可靠性。

• 提高能量效率，实现绿色通信

        CF-mMIMO网络能够将信号集中在用户所在的方向，降低发射功率。这不仅可以减少对其他用户的干扰，还能提高能量效率。此外，CF-mMIMO架构中的分布式天线部署可以减少信号传播损耗，降低接收功率。通过这两种方式的结合，CF-mMIMO网络能够显著提高能量效率，实现绿色通信的目标。在能源日益紧张的今天，这一优势具有重要的现实意义。

• 为高移动性用户提供更好的服务质量

        随着移动互联网的发展，高移动性用户的数量不断增加。对于这些用户来说，保持稳定的通信连接是至关重要的。CF-mMIMO网络中的分布式天线可以减少信号传播损耗和干扰，提高信号的接收强度。即使在高速移动过程中，用户也能持续可靠接收到较强的信号，保持稳定的通信连接。同时，协作通信可以实现对高移动性用户的快速跟踪和服务切换。当用户在不同的区域移动时，网络可以迅速调整天线节点的协作方式，为用户提供无缝的服务切换，提升用户体验。

无蜂窝大规模MIMO网络架构的技术挑战

        尽管CF-mMIMO技术在提升通信系统性能方面具有巨大潜力，但当前存在很多挑战，包括前传链路容量、信道状态信息估计、服务集群组成以及资源分配算法等多个方面。

• 前传链路容量

        在CF-mMIMO网络中，前传链路需要传输大量的信号数据和控制信息，前传容量成为限制系统性能的关键因素之一。如何提高前传容量、降低前传延迟，是CF-mMIMO网络面临的重要挑战。

• 相干协作传输精度

        在CF-mMIMO系统中，由于多个AP协同为用户服务，相干协作传输对于确保多个AP发送的信号能够在用户端正确地合并和接收非常关键。只有当信号在相位上保持一定的相关性，才能有效利用多个AP的信号能量，提高系统性能。如果信号之间的相位关系不准确，可能会导致信号相互抵消，反而降低系统性能。

• 信道状态信息估计精度

        准确的信道状态信息估计是实现CF-mMIMO网络高性能的关键。然而在无蜂窝网络中，由于天线单元的分布式部署和用户的移动性，信道状态信息估计变得更加复杂。如何提高信道状态信息估计的精度、降低估计误差，是CF-mMIMO网络面临的重要挑战。

• 资源分配算法的复杂度

        资源分配是CF-mMIMO网络中的关键技术之一。合理的资源分配可以提高系统的频谱效率、能量效率和服务质量。然而在无蜂窝网络中，资源分配需要考虑天线单元的分布式部署、用户的移动性和业务需求等因素，资源分配算法的优化难度较大。如何优化资源分配算法、提高算法的性能，是CF-mMIMO网络面临的重要挑战。

无蜂窝大规模MIMO网络未来发展方向

        随着5G-A及未来6G通信技术的发展，多天线技术将不断演进。大规模MIMO技术将进一步提高天线数量和系统容量，同时，新型天线技术如智能天线、可重构天线等将为CF-mMIMO网络带来更多的性能提升。

        人工智能（AI）技术在无线通信领域的应用越来越广泛。在CF-mMIMO网络中，AI技术可以用于信道状态信息估计、服务集群形成、资源分配等方面，提高系统的性能和智能化水平。

        CF-mMIMO可以与其他新兴技术如智能反射表面（RIS）、毫米波通信等进行融合，实现更高的频谱效率、能量效率和覆盖范围。例如，RIS可以通过反射信号来增强网络覆盖和提高信号质量，毫米波通信可以提供更高的数据速率和更低的延迟。

        与此同时，为了推动无蜂窝大规模MIMO网络的发展，需要制定相关的标准和规范，促进产业链的成熟和发展。标准化工作可以确保不同厂商设备之间的兼容性和互操作性，产业化发展可以降低设备成本，提高市场竞争力。

        以用户为中心的CF-mMIMO网络架构是一种具有创新性和前瞻性的无线通信技术。虽然CF-mMIMO网络架构还面临诸多挑战，但随着技术的不断发展和创新，这些挑战将逐步得到解决。未来，CF-mMIMO网络架构将在室内无线通信、智能交通系统、工业物联网等领域得到广泛应用，为人们的生活和工作带来更多的便利和效益。