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什么是大规模天线(Massive MIMO)技术,为何5G要用MIMO天线 ?

2018-07-03  Aaron王华...

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5G的一项关键性技术就是大规模天线技术,即Large scale MIMO,亦称为Massive MIMO。

现阶段Massive MIMO技术已经取得了突破性进展,在低频领域已有面向4.5G的商用产品发布。

那什么是Massive MIMO呢?

从两方面理解:

(1)天线数

传统的TDD网络的天线基本是2天线、4天线或8天线,而Massive MIMO指的是通道数达到64/128/256个。

(2)信号覆盖的维度

传统的MIMO我们称之为2D-MIMO,以8天线为例,实际信号在做覆盖时,只能在水平方向移动,垂直方向是不动的,信号类似一个平面发射出去,而Massive MIMO,是信号水平维度空间基础上引入垂直维度的空域进行利用,信号的辐射状是个电磁波束。

所以某动会把Massive MIMO称之为3D-MIMO。

那Massive MIMO的好处在哪里呢?

(1)可以提供丰富的空间自由度,支持空分多址SDMA

(2)BS能利用相同的时频资源为数十个移动终端提供服务

(3)提供了更多可能的到达路径,提升了信号的可靠性

(4)提升小区峰值吞吐率

(5)提升小区平均吞吐率

(6)降低了对周边基站的干扰

(7)提升小区边缘用户平均吞吐率

那Massive MIMO为什么能有这么多优点呢?

从数学原理上来讲,当空间传输信道所映射的空间维度趋向于极限大时,两两空间信道就会趋向于正交,从而可以对空间信道进行区分,大幅降低干扰。

虽然理论上看,天线数越多越好,系统容量也会成倍提升,但是要考虑系统实现的代价等多方面因素,因此现阶段的天线最大也即256个。


5G为什么要用massive MIMO(大规模天线)技术?



5G虽然可以使用低于6GHz的低频频段,但是由于低频频段的资源有限,而5G对带宽的需求量又很大,因此大部分5G网络会部署在高频频段,即毫米波频段(mmWave)。在为5G寻找合适的技术时,不能忽略5G的这个特征。


从无线电波的物理特征来看,如果我们使用低频频段或者中频频段,我们可以实现天线的全向收发,至少也可以在一个很宽的扇面上收发。但是,当使用高频频段(如毫米波频段)时,我们别无选择,只能使用包括了很多天线的天线阵列。使用多天线阵列的结果是,波束变得非常窄。为什么在毫米波频段,我们只能使用多天线阵列呢?


在理想传播模型中,当发射端的发射功率固定时,接收端的接收功率与波长的平方、发射天线增益和接收天线增益成正比,与发射天线和接收天线之间的距离的平方成反比。在毫米波段,无线电波的波长是毫米数量级的,所以又被称作毫米波。而2G/3G/4G使用的无线电波是分米波或厘米波。由于接收功率与波长的平方成正比,因此与厘米波或者分米波相比,毫米波的信号衰减非常严重,导致接收天线接收到的信号功率显著减少。怎么办呢?我们不可能随意增加发射功率,因为国家对天线功率有上限限制;我们不可能改变发射天线和接收天线之间的距离,因为移动用户随时可能改变位置;我们也不可能无限提高发射天线和接收天线的增益,因为这受制于材料和物理规律。唯一可行的解决方案是:增加发射天线和接收天线的数量,即设计一个多天线阵列。


3GPPR1-136362对5G引入Massive MIMO的动机做了很好的总结:随着移动通信使用的无线电波频率的提高,路径损耗也随之加大。但是,假设我们使用的天线尺寸相对无线波长是固定的,比如1/2波长或者1/4波长,那么载波频率提高意味着天线变得越来越小。这就是说,在同样的空间里,我们可以塞入越来越多的高频段天线。基于这个事实,我们就可以通过增加天线数量来补偿高频路径损耗,而又不会增加天线阵列的尺寸。使用高频率载波的移动通信系统将面临改善覆盖和减少干扰的严峻挑战。一旦频率超过10GHz,衍射不再是主要的信号传播方式;对于非视距传播链路来说,反射和散射才是主要的信号传播方式。同时,在高频场景下,穿过建筑物的穿透损耗也会大大增加。这些因素都会大大增加信号覆盖的难度。特别是对于室内覆盖来说,用室外宏站覆盖室内用户变得越来越不可行。而使用massiveMIMO(即天线阵列中的许多天线),我们能够生成高增益、可调节的赋形波束,从而明显改善信号覆盖,并且由于其波束非常窄,可以大大减少对周边的干扰。


多天线阵列无疑是把双刃剑。很明显,多天线阵列的大部分发射能量聚集在一个非常窄的区域。这意味着,使用的天线越多,波束宽度越窄。多天线阵列的好处在于,不同的波束之间,不同的用户之间的干扰比较少,因为不同的波束都有各自的聚焦区域,这些区域都非常小,彼此之间不大有交集。多天线阵列的不利之处在于,系统必须用非常复杂的算法来找到用户的准确位置,否则就不能精准地将波束对准这个用户。因此,我们不难理解,波束管理和波束控制对massiveMIMO的重要性。



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