大規(guī)模MIMO技術(shù)特點及5G場景應(yīng)用

1、大規(guī)模MIMO技術(shù)特點及5G場景應(yīng)用作者：徐海來源：中國新通信2018年第16期徐海遼寧郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司【摘要】隨著5G時代的來臨，通信要求向著大容量、高速率、低時延等多個方向發(fā)展， 相關(guān)技術(shù)也不斷演進(jìn)和完善。MIMO技術(shù)作為4G時代開始應(yīng)用的天線收發(fā)技術(shù)，在5G時代發(fā) 揮出更佳優(yōu)越的性能，大規(guī)模MIMO技術(shù)更成為無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和系統(tǒng)容量提升的重要手段。本 文重點介紹大規(guī)模MIMO的技術(shù)特點，以及在5G時代特定場景的應(yīng)用。【關(guān)鍵詞】 大規(guī)模MIMO MIMO 5G一、概述MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線 和接

2、收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充 分利用空間資源，通過多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下， 可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢、被視為下一代移動通信的核心技術(shù)。大規(guī)模MIMO則在傳統(tǒng)MIMO的基礎(chǔ)上，將天線數(shù)量進(jìn)行擴(kuò)增，利用大規(guī)模多天線系統(tǒng)， 實現(xiàn)了三維波束復(fù)興和多流多用戶資源復(fù)用，大幅提升系統(tǒng)容量和立體覆蓋的同時，降低干擾。 作為5G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以有效提升系統(tǒng)容量、提高頻率復(fù)用效率、降低網(wǎng)絡(luò)干 擾。二、大規(guī)模MIMO的技術(shù)特點隨著5G時代的來臨，無線頻率資源越發(fā)緊張，通信頻段越來越向高頻率遷移。目

3、前工信 部為我國5G技術(shù)研發(fā)試驗規(guī)劃了以下4個頻段：3.3-3.6GHz頻段、4.8-5.0GHz頻段、 24.75-27.5GHz頻段和37-42.5GHz頻段。高頻信號繞射能力差，更趨向于直線傳播，同時信 號衰減嚴(yán)重。另一方面，無線信號頻率越高，天線尺寸相應(yīng)越小，天線不再是龐然大物，即使 基站天線也可以做到尺寸很小，為大規(guī)模MIMO天線陣列提供了先決條件。2.1多流空分復(fù)用技術(shù)在傳統(tǒng)天饋系統(tǒng)中，由于天線數(shù)少，無線信號受外界影響因素多，如衰減、噪聲、同頻干 擾等，致使信道隨機(jī)性強(qiáng)，體現(xiàn)出各自信道的獨特性。當(dāng)通過增加基站端天線數(shù)量，可以通過 大數(shù)定理、中心極限定理等應(yīng)用，將影響信道的隨機(jī)因數(shù)排

4、除，使得原本隨機(jī)的信道矩陣，變 得關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，存在一定的確定性，通過分解計算，可以實現(xiàn)運算復(fù)雜度的降低，使得頻譜效率 隨著收發(fā)端天線數(shù)呈線性增長，有效的提高了頻譜效率。其次結(jié)合信號調(diào)制技術(shù)，使得多用戶間信號正交，降低用戶間干擾，使得單小區(qū)內(nèi)天線可 對多用戶同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而不互相干擾。即在同一時隙同一頻率上，對多用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸， 相當(dāng)于擴(kuò)展了時域和頻域，在本小區(qū)內(nèi)實現(xiàn)了頻率復(fù)用，提升了系統(tǒng)容量也提高了頻譜利用效 率。例如64MIMO天線可實現(xiàn)在同一時隙下，對32個用戶進(jìn)行2X2MIMO的數(shù)據(jù)傳輸。2.2多流用戶波束賦形多流用戶波束賦形是一種基于天線陣列的信號預(yù)處理技術(shù)，利用無線電波的干涉和疊加

5、原 理，通過對信號加權(quán)，調(diào)整各天線陣子的發(fā)射功率和相位，來改變波束形狀，產(chǎn)生具有指向性 的無線信號波束，使期主瓣對準(zhǔn)需覆蓋目標(biāo)用戶，從而能夠獲得區(qū)別與無賦形信號明顯的陣列 增益，提高相應(yīng)信號強(qiáng)度。波束賦形技術(shù)多用于SDMA系統(tǒng)，且同一時隙下僅能對單一用戶進(jìn)行賦形覆蓋。而在5G 時代，因大規(guī)模MIMO天線和其空分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用，使得多流用戶波束賦形成為可能，可以 成倍提高多用戶的覆蓋效果和流量速率。2.3三維波束賦形三維波束賦形區(qū)別于傳統(tǒng)波束賦形的是，當(dāng)改變天線陣列布局，不再僅水平方向布置天線 陣列時，可將調(diào)制的窄波束在水平方向和垂直方向上都能隨著目標(biāo)用戶的位置進(jìn)行調(diào)整，主瓣 方向始終對準(zhǔn)目標(biāo)用

6、戶，從而使目標(biāo)用戶獲得更高的SINR值，改善了傳統(tǒng)波束賦形僅能在水 平方向上跟蹤目標(biāo)用戶的缺點。三維波束賦形可以有效應(yīng)對城市區(qū)域用戶高度差大，分布多維立體的場景，更能有效的解 決高樓深度覆蓋場景。2.4空間調(diào)制技術(shù)空間調(diào)制技術(shù)是一種新的MIMO技術(shù)，將大規(guī)模MIMO天線陣列的每根天線進(jìn)行編號，將 其編號作為發(fā)送數(shù)據(jù)的一部分進(jìn)行發(fā)送，以便節(jié)省數(shù)據(jù)發(fā)送量，即發(fā)送信號通過對應(yīng)信號星座 圖與天線位置星座圖，將傳統(tǒng)二緯映射擴(kuò)展至三維映射，通過空間復(fù)用，提高數(shù)據(jù)速率和頻譜 效率。該調(diào)制方法利用簡單的調(diào)制和編碼機(jī)制就能實現(xiàn)低復(fù)雜度的收發(fā)信機(jī)設(shè)計和高效的頻譜 效率，具有較低的實現(xiàn)復(fù)雜度，又不降低系統(tǒng)性能。三、

7、大規(guī)模MIMO與傳統(tǒng)MIMO對比大規(guī)模MIMO與傳統(tǒng)MIMO相比有以下優(yōu)勢和不足。3.1提高頻譜利用率大規(guī)模MIMO利用高頻段無線信號集中性好，結(jié)合信號調(diào)制技術(shù)，使得各陣子發(fā)射信號正 交，減少系統(tǒng)干擾，實現(xiàn)了空分復(fù)用技術(shù)，從而提高了頻譜利用效率。而傳統(tǒng)MIMO多用于4G 通信系統(tǒng)，所在頻段集中性差，無法實現(xiàn)空分復(fù)用，加之信道干擾隨機(jī)性大，無法實現(xiàn)線性 分析，預(yù)編碼技術(shù)復(fù)雜，不利于提高頻譜利用率。3.2提高系統(tǒng)容量傳統(tǒng)MIMO在原有空間分集的基礎(chǔ)上增加信號發(fā)射流數(shù)量，從而提高傳輸速率，提高信號 增益，但并無法提高系統(tǒng)容量?；鞠到y(tǒng)容量仍受限于通信制式的內(nèi)在資源數(shù)量和頻譜寬度。 而大規(guī)模MIMO在

8、此基礎(chǔ)上利用空分復(fù)用技術(shù)，在小區(qū)級別提高頻譜利用率，有效增加了同一 時隙內(nèi)的同時通信的用戶數(shù)量，從而提升系統(tǒng)容量。3.3波速賦形和三維追蹤傳統(tǒng)MIMO幾乎無波束賦形功能，該功能僅用于SCDMA制式系統(tǒng)，且僅 針對水平范圍內(nèi)的用戶移動和追蹤，對高樓林立的密集區(qū)域覆蓋十分乏力，無法體現(xiàn)出其原有 的優(yōu)勢。大規(guī)模MIMO則可有效利用天線陣列，在垂直和水平方向均能做到波束賦形和用戶追 蹤，單扇區(qū)即可做到分層覆蓋，有效解決高、低層建筑的深層覆蓋需求。3.4提高傳輸速率傳統(tǒng)MIMO僅靠增加并發(fā)數(shù)據(jù)流數(shù)量來提升數(shù)據(jù)流量，而大規(guī)模MIMO在提升并發(fā)數(shù)量的 同時，還可以依靠波束賦形和三維追蹤改善信道質(zhì)量，進(jìn)一步提

9、升數(shù)據(jù)流量。并且可以依據(jù)用 戶終端性能和申請的業(yè)務(wù)類型，自行調(diào)整分配收發(fā)天線數(shù)量，既保證了各類用戶的速率需求， 也進(jìn)一步靈活的分配了現(xiàn)有資源。3.5系統(tǒng)復(fù)雜大規(guī)模MIMO天線陣列中天線數(shù)量龐大，且為了做到高性能的覆蓋技術(shù)，需要為天線提供 陣子自動調(diào)整系統(tǒng)，同時信道狀態(tài)信息獲取和信道模型分析計算更加復(fù)雜。相比傳統(tǒng)MIMO，天 饋系統(tǒng)復(fù)雜，信道解析與計算量大，需要單獨的處理單元。所以大規(guī)模MIMO無法單獨部署， 需要與主設(shè)備進(jìn)行整合，形成天線一體化RRU。3.6天線尺寸和功耗較大大規(guī)模MIMO天線陣列物理尺寸相比傳統(tǒng)MIMO天線要大，主要體現(xiàn)在天線寬度較寬，重 量大，且與主設(shè)備整合后更不利于隱蔽建

10、設(shè)。同時作為有源設(shè)備，會增加基站的整體功耗。四、5G時代的場景應(yīng)用ITU未IMT2020提出了三類應(yīng)用情況及相關(guān)要求，即增強(qiáng)型寬帶接入（eMBB）、超可靠性 與超低時延業(yè)務(wù)（uRLLC）和海量連接的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)（mMTC）。在5G部署前期，無線網(wǎng)絡(luò)需要 面對復(fù)雜的無線環(huán)境和多種制式網(wǎng)絡(luò)共存的情況，對于eMBB業(yè)務(wù)需求集中的城區(qū)區(qū)域，無線 環(huán)境更加復(fù)雜，建筑物密集，高度差距大，多網(wǎng)絡(luò)多制式重復(fù)覆蓋，頻率資源緊張，用戶密集 且流量需求大、對數(shù)據(jù)速率敏感，易出現(xiàn)超密集用戶情況。以上情況對網(wǎng)絡(luò)覆蓋和基站建設(shè)提 出了更加嚴(yán)峻的考驗，大規(guī)模MIMO天線的應(yīng)用可以有效的應(yīng)對和解決城市區(qū)域繁雜的網(wǎng)絡(luò)覆 蓋需求。

11、4.1高負(fù)荷區(qū)域城區(qū)流量熱點區(qū)域、高校校園等場景多為高負(fù)荷區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)用戶流量需求大、對數(shù)據(jù) 速率和覆蓋質(zhì)量感知敏感，需要在保證覆蓋的前提下盡量提升系統(tǒng)容量，滿足市場容量需求。 如采用傳統(tǒng)容量擴(kuò)容方式將增加基站數(shù)量和相應(yīng)系統(tǒng)帶寬，將進(jìn)一步加緊原本已經(jīng)十分緊張的 頻率資源和無線環(huán)境的復(fù)雜程度，為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提出更佳嚴(yán)苛的要求。采用大規(guī)模MIMO天線系統(tǒng)，將減少基站建設(shè)數(shù)量，減輕運營商建設(shè)成本和運營成本，同 時提高頻率資源利用率，簡化網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化難度。4.2高樓層區(qū)域城市發(fā)展過程中，城市建筑高度越發(fā)提升，同時出現(xiàn)落差較大的居民小區(qū)、CBD區(qū)域和商 業(yè)寫字樓區(qū)域，該場景區(qū)域覆蓋范圍不再是水平方向的，在滿足

12、路面覆蓋、低層商業(yè)區(qū)的用戶 覆蓋需求同時，還需兼顧高層樓宇中用戶的覆蓋需求。傳統(tǒng)的建設(shè)方式主要采用分層網(wǎng)絡(luò)建設(shè)， 室內(nèi)外覆蓋相結(jié)合進(jìn)行解決。室外宏基站進(jìn)行廣覆蓋，解決路面和樓宇中下層區(qū)域的覆蓋，低 層微基站進(jìn)一步解決低層區(qū)域的深度覆蓋，室內(nèi)分布系統(tǒng)解決高層樓宇和樓宇內(nèi)部的用戶覆蓋。 建設(shè)基站數(shù)量大，物業(yè)協(xié)調(diào)困難，并且寫字樓內(nèi)室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)困難，難以實際解決樓宇內(nèi) 室內(nèi)的覆蓋需求，多為樓道覆蓋，覆蓋能力有限。大規(guī)模MIMO天線陣列，利用三維波束賦形和用戶追蹤，可以有效兼顧高、中、低層樓宇 內(nèi)用戶覆蓋需求。加上自適應(yīng)調(diào)節(jié)單用戶MIMO天線數(shù)量，可加大覆蓋有效增益，解決樓宇內(nèi) 部的覆蓋，減少了建設(shè)

13、難度和覆蓋方案復(fù)雜度，便于快速實施，迅速部署，減少施工周期和建 設(shè)、維護(hù)投資。4.3高干擾區(qū)域5G網(wǎng)絡(luò)部署初期為節(jié)省建設(shè)投資，縮短建設(shè)周期，會優(yōu)先選用已有的物理站址進(jìn)行快速部 署。但由于頻段和網(wǎng)絡(luò)制式不同，會造成覆蓋范圍和方向不同，形成網(wǎng)絡(luò)邊緣區(qū)域覆蓋空洞。 對于無線環(huán)境復(fù)雜，用戶密集的區(qū)域，其覆蓋邊緣區(qū)域由于無線信號干擾而造成覆蓋縮減。為 解決該區(qū)域覆蓋，傳統(tǒng)做法是提升一方基站覆蓋功率或新建基站來主導(dǎo)該區(qū)域的信號強(qiáng)度。這 樣不但會增加建設(shè)成本，還會增加網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化壓力，加劇頻率資源復(fù)用緊張度。大規(guī)模MIMO天線具備精準(zhǔn)的用戶波束賦形和追蹤，可以有效提升覆蓋邊緣的用戶信噪比， 控制干擾，提升用戶體驗。不但節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資，還簡化網(wǎng)優(yōu)壓力。4.4上行受限區(qū)域?qū)τ诖笮脱莩獣?、賽事場地和熱門活動區(qū)域等區(qū)域，用戶更加密集，在容量受限的之前， 更加容易出現(xiàn)上行信號受限。在應(yīng)對該類突發(fā)事件時，除傳統(tǒng)增加網(wǎng)絡(luò)容量和應(yīng)急基站建設(shè)外， 也可采用大規(guī)模MIMO天線，有效提