什么是Massive MIMO？

Massive MIMO全名為Massive Multiple Input Multiple Output，大規(guī)模的MIMO無(wú)線通信初步構(gòu)想最早是由貝爾實(shí)驗(yàn)室Marzetta博士于2009年提出的。而我們今天所講的大規(guī)模MIMO并不是一項(xiàng)全新的技術(shù)，它是在MIMO技術(shù)上的拓展和延伸。基本思想是在收發(fā)兩端采用多根天線，分別同時(shí)發(fā)射和接收信號(hào)。

圖一MIMO的基本概念

區(qū)別于傳統(tǒng)4G MIMO的最多8天線通道，大規(guī)模MIMO在5G中實(shí)現(xiàn)16/32/64通道。

圖二 4G與5G MIMO技術(shù)的區(qū)別

Massive MIMO****原理

以下是MIMO實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)主要的手段：

圖三Massive MIMO的原理

首先是空間分集，使接收端天線之間的距離d≥λ/2（λ為工作波長(zhǎng)），以保證接收天線輸出信號(hào)的衰落特性是相互獨(dú)立的，也就是說(shuō)，當(dāng)某一副接收天線的輸出信號(hào)很低時(shí)，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時(shí)刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號(hào)幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個(gè)總的接收天線輸出信號(hào)。這樣就降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

空間分集在不同的空間信道傳輸相同數(shù)據(jù)使等效信道更加平穩(wěn)，從而對(duì)抗實(shí)際環(huán)境下的信道衰落，使傳輸更加可靠；空間分集的使用方式有很多，可以采用空時(shí)聯(lián)合編碼、空頻聯(lián)合編碼等。

其次，對(duì)于 MIMO 無(wú)線通信系統(tǒng),衰落對(duì)于各個(gè)收發(fā)天線之間是獨(dú)立的,因此可以將 MIMO 信道看成是多個(gè)并行的空間子信道。復(fù)用就是在多條獨(dú)立的路徑上傳輸不同數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)容量。

空間復(fù)用利用不同空間信道的弱相關(guān)性來(lái)傳輸不同數(shù)據(jù)，提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度，使數(shù)據(jù)傳輸更加有效；

再者是多用戶MIMO：如果MIMO系統(tǒng)用于增加多個(gè)用戶的速率，即占用相同時(shí)頻資源的多個(gè)并行的數(shù)據(jù)流發(fā)給不同用戶或不同用戶采用相同時(shí)頻資源發(fā)送數(shù)據(jù)給基站，則稱之為多用戶MIMO（MU-MIMO）。

圖四 多用戶MIMO示意

最后是波束成形技術(shù)：

圖五 弗里斯傳輸公式

圖五是弗里斯傳輸公式的原理示意圖。由于國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)限制，無(wú)法無(wú)限提升、基站增加，運(yùn)營(yíng)商成本增加以及材料和物理規(guī)律的限制，所以需要發(fā)射端多天線可以自動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)天線發(fā)射信號(hào)的相位，使得用戶端接收到的電磁波有效疊加，產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào)增益。

圖六 3D波束成形

Massive MIMO****重要性

Massive MIMO技術(shù)可以為用戶帶來(lái)更好的用戶體驗(yàn)，更好的移動(dòng)寬帶體驗(yàn)需求的持續(xù)增長(zhǎng)推動(dòng)了無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，，而5G作為新一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想是實(shí)現(xiàn)顯著更快的數(shù)據(jù)速度、超低時(shí)延和數(shù)十億連接設(shè)備的目標(biāo)。在LTE/LTE-A中，MIMO和協(xié)調(diào)多點(diǎn)（CoMP：coordinated multi-point）傳輸技術(shù)發(fā)揮著重要作用。在5G NR時(shí)代，面對(duì)市場(chǎng)和移動(dòng)通信社會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)速率和頻譜效率的不斷增長(zhǎng)的要求，尤其是針對(duì)更廣泛的頻譜和各種場(chǎng)景，大規(guī)模MIMO具有十分重要的意義。大規(guī)模MIMO和多TRP協(xié)調(diào)的結(jié)合正成為解決TRP協(xié)調(diào)問(wèn)題和改善5G NR中用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

Massive MIMO****應(yīng)用

圖七 華為持續(xù)引領(lǐng)，開(kāi)辟5G Massive MIMO綠色新賽道

圖八 Massive MIMO應(yīng)用場(chǎng)景

Massive MIMO****優(yōu)點(diǎn)與挑戰(zhàn)

MIMO的優(yōu)點(diǎn)頗多，主要有以下幾點(diǎn)：

1. 更精確的3D波束成形，提升終端接收信號(hào)強(qiáng)度
2. 同時(shí)同頻服務(wù)更多用戶，提高容量
3. 有效減少小區(qū)干擾

當(dāng)然也存在著一定的缺陷：

1. 導(dǎo)頻污染：由于massive MIMO有上百個(gè)天線，需要上百個(gè)正交的導(dǎo)頻信號(hào)，若導(dǎo)頻之間不正交，存在相關(guān)性，基站收到的導(dǎo)頻便是多個(gè)信道信息的疊加，此時(shí)的信道評(píng)估便不準(zhǔn)確。

其他的缺點(diǎn)包括難以適應(yīng)高速移動(dòng)場(chǎng)景與FDD系統(tǒng)、能耗問(wèn)題、場(chǎng)景部署位置等問(wèn)題。