8个问题让你了解5G关键技术—Massive MIMO

2019-06-06来源: cnblogs关键字:Massive  MIMO

1 什么是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。它最早由美国贝尔实验室研究人员提出,研究发现,当小区的基站天线数目趋于无穷大时,加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计,数据传输速率能得到极大提高。

 

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Massive MIMO也称为3D-MIMO。

 

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2 Massive MIMO优点有哪些

 

2.1 Massive MIMO的好处在哪里

 

高复用增益和分集增益:大规模MIMO系统的空间分辨率与现有MIMO系统相比显著提高,它能深度挖掘空间维度资源,使得基站覆盖范围内的多个用户在同一时频资源上利用大规模MIMO提供的空间自由度与基站同时进行通信,提升频谱资源在多个用户之间的复用能力,从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率。

 

 高能量效率:大规模MIMO系统可形成更窄的波束,集中辐射于更小的空间区域内,从而使基站与UE之间的射频传输链路上的能量效率更高,减少基站发射功率损耗,是构建未来高能效绿色宽带无线通信系统的重要技术。

 

 高空间分辨率:大规模MIMO系统具有更好的鲁棒性能。由于天线数目远大于UE数目,系统具有很高的空间自由度,系统具有很强的抗干扰能力。当基站天线数目趋于无穷时,加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计。

 

2.2 Massive MIMO为什么能有这么多优点

 

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。

 

3 Massive MIMO挑战有哪些

 

虽然Massive MIMO作为5G的核心技术之一,但是这并不意味着这项技术已经成熟(完整)。关于这项技术仍有很多事情需要改进或解决。此页面将列出一些通常被列为进一步研究项目的区域。

 

3.1 如何安排天线

 

如您所知,在Massive Antenna中,您将拥有大量的天线。现在您会有疑问......我应该如何安排这些天线以达到最佳性能?

 

下图显示了我从各种技术材料中看到的各种类型的天线布置。什么是最好的安排?会有新的安排方法吗?

 

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这些问题应该从进一步的研究中得到解答。

 

3.2 如何建模3D频道

 

如果将天线排列为(B),(C),(D),则可以将光束的方向指向水平方向和垂直方向。如果组合两个方向,则可以将光束指向3D空间中的任何方向(至少几乎是3D球体的一半)。这很好,但也有复杂性。现在您需要考虑所有这些方向的通道因素,并且您需要数学模型来考虑这些3D因素。

 

这种渠道模型是需要进一步研究的领域之一。

 

3.3 如何将其应用于FDD操作

 

我认为这是Massive MIMO的最大缺点(至少截至目前)。为了执行最佳波束成形,您需要获得不断变化的通道的准确(详细)信息。为了获得此类信息,您需要从UE获取有关下行链路信道质量的报告。为此,您需要为下行链路参考信号分配大量资源,这将导致严重的资源浪费。在FDD中,我们没有任何好主意在不使用基于参考信号的这种信道质量报告的情况下获得信道信息。

 

然而,在TDD中,我们可以使用一些可能不需要这种UE报告的替代技术。在TDD中,我们对下行链路和上行链路使用相同的频带。因此,如果网络可以从UE传输信号估计上行链路信道质量,则可以将该信息用作下行链路信道质量。因此,在TDD中,您可以创建非常优化的波束,而无需从UE获得明确的信道质量报告。

 

当然,从上行链路信号导出的估计可能与下行链路信号不完全相同,因为上行链路和下行链路的时隙是不同的。因此,在某个时隙的UL的信道估计可能与下行链路时隙不完全相同。然而,这是目前最常被接受和实践的想法。

 

由于这个原因,大多数Massive MIMO实现都是在TDD模式下完成的。

 

3.4 如何从大阵列生成宽光束

 

Massive MIMO背后的关键思想之一是通过将单个波束的多个天线输出建设性地相加来增加天线增益,并且通过该过程,所得波束的宽度趋于变窄。我们可以说这种窄光束在能量密度方面是好的,但它也意味着光束覆盖的区域将非常窄。这意味着波束成形和引导应该非常快速和准确以适当地聚焦在目标UE上,但是这并不总是简单且容易的,尤其是当UE处于快速移动状态时。

 

因此,有必要在不牺牲大规模MIMO的太多性能的情况下加宽波束宽度。

 

3.5 如何校准天线系统

 

任何具有RF / mmWave设计或测试经验的人都会明白,设计/测试的复杂性和难度会随着信号路径的增加呈指数级增长。即使假设设计正确完成,您也必须确保所有信号路径和天线都经过适当校准,以便天线系统按预期工作。校准那些巨大数量的天线路径绝对是一项具有挑战性的任务。

 

3.6 如何处理调度和预编码的复杂性

 

如您所知,Massive MIMO的最大动力是增加指定目标设备的方向性和增益。另一个动机(或由波束形成引起的要求)是实现MU-MIMO(多用户MIMO)。然而,随着使用更多天线并且更多用户被瞄准,调度和预编码将变得更复杂。如何处理这种情况将是一个大问题。只是为了增加DSP功率?或者想出一个新的/智能的数学方法来处理这个问题而不会过多地增加DSP的要求?

 

4 5G为什么要用Massive MIMO

 

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?

 

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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。

 

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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Massive MIMO(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Massive MIMO的重要性。

 

4.1 Massive MIMO的聚焦特性

 

有一件事是由Massive MIMO自动获得的。事实上,从天线阵发射的大部分能量集中在非常狭窄的区域。这意味着当您使用更多天线时,波束宽度会变窄。下面的图将给出一个示例,说明随着天线数量的增加,波束衰减的影响。

 

这种效果会同时造成优势和失败。优势在于不同用户的光束之间的干扰会更少,因为每个光束都会聚焦在非常小的区域,缺点是你必须实现非常复杂的算法来找到用户的确切位置并指导光束给用户高精度。

 

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注*:在本例中,我假设每个天线都传输完全相同的功率,无论它是在2个天线阵列还是在4个天线阵列中。所以你看到4个天线阵列的峰值功率更高。但实际上,它们会增加每个天线的发射功率,因为它们会增加天线的数量。关键是即使增加天线数量,也不应增加整个阵列的总传输功率。

 

以下是另一个玩具程序,它显示了二维天线阵列中的光束模式(这是线性比例,而不是dB比例)。你会注意到随着阵列中天线数量的增加,波束宽度变得越来越窄。

 

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4.2 Massive MIMO的波束赋形 vs. 传统的波束赋形

 

波束赋形是指,大规模多天线系统可以控制每一个天线单元的发射(或接收)信号的相位和信号幅度,产生具有指向性的波束,消除来自四面八方的干扰,增强波束方向的信号。它可补偿无线传播损耗。

 

至于3D Beamforming,是指在三维空间(水平和垂直空间)形成传输信号的分离波束。

 

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需要说明的是,Massive MIMO的波束赋形和我们通常理解的波束赋形是不一样的。它并不是波束直线指向用户终端,而是可以从多个不同方向指向终端。信号预处理算法可以为波束安排最佳路由,它也可以在精确协调下将数据流经由障碍物反射路径发送到指定用户。

 

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天线阵列和用户之间的多路径环境

 

这里有一个经典的演示。

 

假设在一个周围建筑物密集的广场边上有一个全向基站(红色圆点),周围不同方向上分布3台终端(红、绿、蓝X)。

 

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未采用Massive MIMO场景下,当红色终端和基站通信时,无线传播路径是这样的,如下图所示:

 

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采用Massive MIMO场景下,并引入精准的波束赋形后,情况就神奇的变成这样了,如下图所示:

 

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Massive MIMO可改善能效,提升频谱效率,也就不难理解了吧!

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关键字:Massive  MIMO 编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/wltx/ic463811.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

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