【原】什么是Mass MIMO？

和老康一起學(xué)5G 2022-05-26 發(fā)布于陜西

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為了滿足5G無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和多用戶需要，啟用了多種完全不同的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法。其中包括:Mass MIMO、波束斌形、OFDM和毫米波頻。在5G中Mass MIMO對提高數(shù)據(jù)吞吐量和容量起著重要作用。

什么是Massive MIMO？

MIMO(multiple-input, multiple-output多輸入多輸出)是一種無線天線技術(shù)，它在發(fā)射器和接收器處部署多個天線端子以提高無線電鏈路的質(zhì)量、吞吐量和容量。MIMO使用稱為空間分集和空間復(fù)用的技術(shù)來傳輸獨立且單獨編碼的數(shù)據(jù)信號，稱為“流”，重復(fù)使用相同的時間周期和頻率資源。

在多用戶MIMO(MU-MIMO)場景中，發(fā)射機在相同的時間和頻率資源同時向不同的用戶發(fā)送不同的流，從而增加了網(wǎng)絡(luò)容量。通過添加額外的天線來支持更多的數(shù)據(jù)流，可以提高頻譜效率和容量，直到用戶之間的功率共享和干擾導(dǎo)致增益減少并最終導(dǎo)致?lián)p失。

MIMO用于包括Wi-Fi和LTE(長期演進)的許多現(xiàn)代無線和射頻技術(shù)。負責制定無線標準的3GPP在2008年的R8版中首次為LTE指定了MIMO。這個最初的變體使用兩個發(fā)射器和兩個接收器，即2x2 MIMO，隨后處理能力的提高使得能夠使用使用4×4 MIMO當前4G(LTE)網(wǎng)絡(luò)在無線網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)更多同步數(shù)據(jù)流。

毫米波(mmWave)頻率的極短波長導(dǎo)致天線尺寸更小，針對5G(NR)3GPP在R15版中指定了32根天線(32x32 MIMO)，在后來版本中將增加到64根甚至更多，MIMO天線尺寸擴展導(dǎo)致了Mass MIMO一詞的出現(xiàn)。

Mass MIMO技術(shù)

Mass MIMO基于空間分集、空間復(fù)用和波束斌形這三個關(guān)鍵概念。MIMO 建立在發(fā)射器和接收器之間的無線電信號被其環(huán)境過濾的事實之上，建筑物和其他障礙物的反射導(dǎo)致多個信號路徑(見下圖1)。

圖 1:無線信號可在發(fā)射器和接收器之間采用多條路徑(圖來源Qualcomm）

通過各種路徑反射的信號將以不同的時間延遲、衰減水平和傳播方向到達接收天線。當部署多個接收天線時,每個天線接收的信號版本略有不同，可以通過數(shù)學(xué)方式組合以提高發(fā)射信號的質(zhì)量。這種技術(shù)被稱為空間分集，因為接收器天線在空間上彼此分離?？臻g分集也通過在多個天線上傳輸無線電信號來實現(xiàn)，在某些情況下，每個天線發(fā)送信號的修改版本。

雖然空間分集增加了無線鏈路的可靠性，但空間復(fù)用通過使用多個過渡路徑作為用于承載數(shù)據(jù)的附加信道來增加無線鏈路的容量。空間多路復(fù)用允許在發(fā)射器和接收器之間發(fā)送多個唯一的數(shù)據(jù)流，從而顯著提高吞吐量，并且還使單個發(fā)射器能夠支持多個網(wǎng)絡(luò)用戶，因此稱為MU-MIMO。

波束賦形(Beamforming)使用先進天線技術(shù)將無線信號集中在特定方向，而不是向大范圍廣播（見下圖2）。

圖 2:波束成形將無線信號聚焦在特定方向(來源:一切射頻）

波束賦形是另一種關(guān)鍵無線技術(shù)它與Mass MIMO協(xié)同工作以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和容量。波束賦形使用先進的天線技術(shù)將無線信號集中在特定方向，而不是向廣闊區(qū)域廣播。這種技術(shù)減少了指向不同方向的波束之間的干擾，從而能夠部署更大的天線陣列。

Mass MIMO系統(tǒng)中的大量天線支持3D波束賦形，它可以為用戶創(chuàng)建水平和垂直波束，從而提高所有用戶的數(shù)據(jù)速率(和容量)——在擁有高層建筑的城市地區(qū)尤其有用。

MIMO系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)和連接的移動設(shè)備都必須緊密協(xié)調(diào)。復(fù)雜算法使用從信道狀態(tài)信息參考信號(CSI-RS)獲得的空間信息，以使基站能夠同時和獨立地與多個設(shè)備進行通信。CSI-RS是基站向UE發(fā)送的一種導(dǎo)頻信號，使UE能夠計算信道狀態(tài)信息(CSI)并將其上報給基站。CSI描述了信號如何從發(fā)射器傳播到接收器，并包含有關(guān)該信號如何遭受諸如散射、衰落和功率隨距離衰減等影響的信息。為了在接收器恢復(fù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，MIMO系統(tǒng)解碼器必須執(zhí)行大量的信號處理，使用CSI以矩陣形式表示信道傳遞函數(shù)(參見下圖3)。

圖 3:用于表征Mass MIMO系統(tǒng)的信道狀態(tài)信息(來源:ADI）

通道傳輸矩陣定義如下：

[R] = [H] x [T]

式中:[R]是在MIMO陣列中各種天線處接收到的一系列信號,[H]表示每個信號路徑的屬性，而[T]表示通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母鞣N數(shù)據(jù)流。

解碼器通過評估來自CSI的各個通道屬性h11、h12等來構(gòu)建通道傳輸矩陣。然后通過將接收到的信號乘以傳輸矩陣的逆來重構(gòu)各個數(shù)據(jù)流：

[T]=[H]-1x[R]

估計單個信道屬性和計算逆信道矩陣是計算密集型的，并且會顯著增加網(wǎng)絡(luò)開銷，尤其是隨著天線數(shù)量的增長。

對上面描述簡化后，實際上存在各種用于獲取和計算CSI的技術(shù)；這些技術(shù)取決于所使用的多路復(fù)用技術(shù)(TDD或FDD)、信號頻率和UE的移動量等因素。該領(lǐng)域是許多正在進行的研究的主題，研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進技術(shù)如何提高大規(guī)模MIMO的可靠性和準確性。

Mass MIMO優(yōu)勢

作為5G(NR)的關(guān)鍵技術(shù)Mass MIMO為網(wǎng)絡(luò)運營商和最終用戶帶來了多重好處。首先進一步提高了頻譜效率，為相同數(shù)量的頻譜提供了更多的網(wǎng)絡(luò)容量，從而使運營商能夠最大限度地利用他們對這一昂貴資源的投資。

隨著5G推出，網(wǎng)絡(luò)將嚴重依賴網(wǎng)絡(luò)致密化以提供所需的數(shù)據(jù)速率并支持大量連接，尤其是在城市地區(qū)。Mass MIMO與波束賦形技術(shù)相結(jié)合，可高度針對性地使用頻譜，消除當前的性能瓶頸，支持小區(qū)中的更多用戶，并改善人口稠密地區(qū)的最終用戶體驗。

其次，由于信號路徑數(shù)量的增加其他潛在的好處包括更高的連接可靠性以及對干擾和故意干擾的抵抗力增加。Mass MIMO網(wǎng)絡(luò)也將對更高頻率傳輸?shù)脑O(shè)備響應(yīng)更快，這將改善覆蓋范圍，尤其是在室內(nèi)。

Mass MIMO未來

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的進一步擴展，Massive MIMO使用將更加廣泛；隨著技術(shù)和3GPP規(guī)范的推進，更大的天線陣列變得可行。mmWave是5G性能和容量的關(guān)鍵，能夠在這些頻率下運行Mass MIMO陣列將很快成為主流。例如NEC已開發(fā)出能夠在28GHz下運行的24天線陣列原型，具有64陣列或更多陣列的商用Mass MIMO系統(tǒng)將很快成為Sub 6GHz和mmWave頻率的主流。

先進天線系統(tǒng)(AAS)的并行發(fā)展將促進這些部署，該系統(tǒng)將天線陣列與相關(guān)的射頻傳輸硬件和軟件以及波束賦形和MIMO所需的信號處理能力集成在一起。隨著mmWave縮小天線和電子元件的尺寸，這些AAS將變得更小，在網(wǎng)絡(luò)致密化中發(fā)揮關(guān)鍵作用，并被部署用于在室內(nèi)提供5G覆蓋。