5G Massive MIMO

Massive MIMO（大规模天线技术，亦称为Large Scale MIMO）是第五代移动通信（5G）中提高系统容量和频谱利用率的关键技术。此技术中，基站利用同一个时频域资源同时为多个终端进行服务，从而增强了基站同时接收和发送多路不同信号的能力，可以有效的提升频谱利用率、数据传输的稳定性和可靠性。

引言

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本节作为引言，不讨论技术，只讨论当下实际中存在的一些问题，接下来会逐步更新Massive MIMO的部分关键技术。

在LTE网络中，随着人们上网方式的改变，数据业务在近些年一直保持着爆炸性的增长，现有网络经常会出现支持不流畅的现象，但是在这样的情况下，仍然存在以下几个亟待解决的问题：

移动视频的需求仍然在逐年增加

这个问题是对峰值流量的一种挑战，可以考虑的方法包括：增大带宽；增加基站的密度；提高发射功率，这是比较不现实的，终端如果增加发射功率会导致电池电量的大量消耗，基站也存在同样问题，同时基站发射功率如果过大，会对邻区造成干扰；高Rank空分技术，现有的空分技术，波束之间的干扰比较大，导致不同终端的影响较大，从而降低了空分效率，如果引入高Rank空分技术，相互之间的干扰变小，类似很多辆车，并排行驶在泥泞的路上，尽管如果能安全通过，确实会比先后通过流量更高，但是效果并不明显，小心翼翼且易出事故，如果形成很多条互不干扰的路，就像立交桥一样，各自行驶，干扰极小，那么就极大的提升峰值流量。

小区边缘用户体验差

传统的4G宏站，从小区中心到小区边缘，业务速率会大幅度下滑，解决办法可以考虑如下：提高发射功率；新增站点补盲，这有悖于蜂窝网络的初衷，会大幅提升组网费用；小区间干扰协调；波束赋形。传统的宽波束能量比较分散；波束赋形可通过提高阵列增益、抑制空间干扰来改善边缘用户的接收 SINR 与体验。

垂直覆盖面临困难

传统4G宏站由于天线垂直波束过窄，架设天线时应着重考虑大多数的地面用户，天线高度不宜过高，所以无法为高层楼提供垂直的覆盖，造成高层楼信号较差。解决办法：提高基站架设高度;多组天线，分别覆盖;3D波束赋形，Massive MIMO 可在水平和垂直两个维度动态调整信号方向，使信号能量更集中、方向更精准，降低小区间的干扰，从而支持更多的用户在相同的时频资源上并行传输(空分复用)，从而达到提升小区吞吐量和边缘用户速率的效果。天线增益的提升，穿墙能力得到提升，实现了广度和深度的要求进行了有效的宽松。

此时，我们需要考虑，怎样才能有效提高信号的强度呢？提高信号强度，即提高接收到的信号功率。终端接收到的信号功率大小表达式如下：

其中不能无限的增大发射功率${P_{tx}}$，不能缩短基站和手机之间的距离$R$，低频段资源又十分有限，很难将频带降低$\lambda$，所以无法增大波长，此时只能通过提升天线的数量，把两个天线增益参数${G_{rx}}$和${G_{tx}}$再次提升，进而提高接收功率。

5G 可使用高频段；虽然高频信号的传播损耗较大，但其波长较短，可在有限物理面积内布设更多天线阵元。基站可通过大规模天线阵列形成高增益窄波束，以部分抵消传播损失；这一特点为 Massive MIMO 的基站侧部署提供了重要条件。

Massive MIMO主要存在以下几点优势：

• 天线波束变窄 传统的8天线，可以实现波束赋形，把不同用户放在不同的波束中，干扰较小；如果采用Massive MIMO,波束主瓣更窄，数量更多，相互之间干扰变小。

• 空分隔离更易

• 复用流数增多 流数越多，速率越高

• 小区容量提升

关键技术

波束赋形

波束赋形是指根据特定场景自适应的调整天线阵列的幅度图。此过程中，天线阵列会形成一个指向用户的波束，基站根据终端上行的信号来判断来波方向，进而改变下行波束的赋形权值，使波束跟随用户移动。而Massive MIMO是通过引入大量的天线，使天线阵列同一时间和频率资源满足空间上分离的多位用户的需求。

• 提升小区边缘用户的接收信号质量

• 降低邻区的干扰 三维立体信号可以灵活的跟踪终端，而排除传统MIMO宽波束在跟踪终端的同时，由于宽波束对邻区产生干扰

高Rank空分技术

• 提升单用户峰值速率

• 提升小区空分用户数量 相比传统LTE系统，支持更高阶的MU-MIMO，支持远超过8个用户同时传输数据

• 提升小区频谱效率 超过100根天线，相比传统8天线获得更高的空分复用增益，极大提高频谱利用效率

• 提升小区峰值速率

3D波束赋形

避免“灯下黑”问题： 在理论上，4G宏站正下方的辐射存在“灯下黑”现象，辐射水平应该是最低的，这是因为天线存在指向性，传播信号基本是以一定的下倾角水平方向发射，而不是垂直方向，下倾角越大，覆盖越小，反之覆盖面积就越大。所以基站之下的建筑恰好处于盲区，基站辐射最小，其接收的信号一般为远处基站的信号。基站辐射强度即基站信号强度，基站信号强度与手机的辐射强度密切相关，离基站越远，基站信号强度越弱，手机发射的功率会越大。

达成上述三项的关键在于预编码技术，后续将从技术角度分别介绍数字预编码技术和模拟预编码技术。

参考文献

暂无