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为了满足5G无线网络的覆盖和多用户需要，启用了多种完全不同的无线网络设计方法。其中包括:Mass MIMO、波束斌形、OFDM和毫米波频。在5G中Mass MIMO对提高数据吞吐量和容量起着重要作用。 什么是Massive MIMO？ MIMO(multiple-input, multiple-output多输入多输出)是一种无线天线技术，它在发射器和接收器处部署多个天线端子以提高无线电链路的质量、吞吐量和容量。MIMO使用称为空间分集和空间复用的技术来传输独立且单独编码的数据信号，称为“流”，重复使用相同的时间周期和频率资源。 在多用户MIMO(MU-MIMO)场景中，发射机在相同的时间和频率资源同时向不同的用户发送不同的流，从而增加了网络容量。通过添加额外的天线来支持更多的数据流，可以提高频谱效率和容量，直到用户之间的功率共享和干扰导致增益减少并最终导致损失。 MIMO用于包括Wi-Fi和LTE(长期演进)的许多现代无线和射频技术。负责制定无线标准的3GPP在2008年的R8版中首次为LTE指定了MIMO。这个最初的变体使用两个发射器和两个接收器，即2x2 MIMO，随后处理能力的提高使得能够使用使用4×4 MIMO当前4G(LTE)网络在无线网络中实现更多同步数据流。 毫米波(mmWave)频率的极短波长导致天线尺寸更小，针对5G(NR)3GPP在R15版中指定了32根天线(32x32 MIMO)，在后来版本中将增加到64根甚至更多，MIMO天线尺寸扩展导致了Mass MIMO一词的出现。 Mass MIMO技术 Mass MIMO基于空间分集、空间复用和波束斌形这三个关键概念。MIMO 建立在发射器和接收器之间的无线电信号被其环境过滤的事实之上，建筑物和其他障碍物的反射导致多个信号路径(见下图1)。
图 1:无线信号可在发射器和接收器之间采用多条路径(图来源Qualcomm） 通过各种路径反射的信号将以不同的时间延迟、衰减水平和传播方向到达接收天线。当部署多个接收天线时,每个天线接收的信号版本略有不同，可以通过数学方式组合以提高发射信号的质量。这种技术被称为空间分集，因为接收器天线在空间上彼此分离。空间分集也通过在多个天线上传输无线电信号来实现，在某些情况下，每个天线发送信号的修改版本。 虽然空间分集增加了无线链路的可靠性，但空间复用通过使用多个过渡路径作为用于承载数据的附加信道来增加无线链路的容量。空间多路复用允许在发射器和接收器之间发送多个唯一的数据流，从而显著提高吞吐量，并且还使单个发射器能够支持多个网络用户，因此称为MU-MIMO。 波束赋形(Beamforming)使用先进天线技术将无线信号集中在特定方向，而不是向大范围广播（见下图2）。
图 2:波束成形将无线信号聚焦在特定方向(来源:一切射频） 波束赋形是另一种关键无线技术它与Mass MIMO协同工作以提高网络吞吐量和容量。波束赋形使用先进的天线技术将无线信号集中在特定方向，而不是向广阔区域广播。这种技术减少了指向不同方向的波束之间的干扰，从而能够部署更大的天线阵列。 Mass MIMO系统中的大量天线支持3D波束赋形，它可以为用户创建水平和垂直波束，从而提高所有用户的数据速率(和容量)——在拥有高层建筑的城市地区尤其有用。 MIMO系统中的网络和连接的移动设备都必须紧密协调。复杂算法使用从信道状态信息参考信号(CSI-RS)获得的空间信息，以使基站能够同时和独立地与多个设备进行通信。CSI-RS是基站向UE发送的一种导频信号，使UE能够计算信道状态信息(CSI)并将其上报给基站。CSI描述了信号如何从发射器传播到接收器，并包含有关该信号如何遭受诸如散射、衰落和功率随距离衰减等影响的信息。为了在接收器恢复传输的数据流，MIMO系统解码器必须执行大量的信号处理，使用CSI以矩阵形式表示信道传递函数(参见下图3)。
图 3:用于表征Mass MIMO系统的信道状态信息(来源:ADI） 通道传输矩阵定义如下： [R] = [H] x [T] 式中:[R]是在MIMO阵列中各种天线处接收到的一系列信号,[H]表示每个信号路径的属性，而[T]表示通过网络传输的各种数据流。 解码器通过评估来自CSI的各个通道属性h11、h12等来构建通道传输矩阵。然后通过将接收到的信号乘以传输矩阵的逆来重构各个数据流： [T]=[H]-1x[R] 估计单个信道属性和计算逆信道矩阵是计算密集型的，并且会显著增加网络开销，尤其是随着天线数量的增长。 对上面描述简化后，实际上存在各种用于获取和计算CSI的技术；这些技术取决于所使用的多路复用技术(TDD或FDD)、信号频率和UE的移动量等因素。该领域是许多正在进行的研究的主题，研究神经网络等先进技术如何提高大规模MIMO的可靠性和准确性。 Mass MIMO优势 作为5G(NR)的关键技术Mass MIMO为网络运营商和最终用户带来了多重好处。首先进一步提高了频谱效率，为相同数量的频谱提供了更多的网络容量，从而使运营商能够最大限度地利用他们对这一昂贵资源的投资。 随着5G推出，网络将严重依赖网络致密化以提供所需的数据速率并支持大量连接，尤其是在城市地区。Mass MIMO与波束赋形技术相结合，可高度针对性地使用频谱，消除当前的性能瓶颈，支持小区中的更多用户，并改善人口稠密地区的最终用户体验。 其次，由于信号路径数量的增加其他潜在的好处包括更高的连接可靠性以及对干扰和故意干扰的抵抗力增加。Mass MIMO网络也将对更高频率传输的设备响应更快，这将改善覆盖范围，尤其是在室内。 Mass MIMO未来 随着5G网络的进一步扩展，Massive MIMO使用将更加广泛；随着技术和3GPP规范的推进，更大的天线阵列变得可行。mmWave是5G性能和容量的关键，能够在这些频率下运行Mass MIMO阵列将很快成为主流。例如NEC已开发出能够在28GHz下运行的24天线阵列原型，具有64阵列或更多阵列的商用Mass MIMO系统将很快成为Sub 6GHz和mmWave频率的主流。 先进天线系统(AAS)的并行发展将促进这些部署，该系统将天线阵列与相关的射频传输硬件和软件以及波束赋形和MIMO所需的信号处理能力集成在一起。随着mmWave缩小天线和电子元件的尺寸，这些AAS将变得更小，在网络致密化中发挥关键作用，并被部署用于在室内提供5G覆盖。
* 本文根据https://www./wps/portal/相关文章翻译整理 |
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