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5G核心技术之Massive MIMO天线阵列

日期: 2020-04-15
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5G核心技术之Massive MIMO天线阵列

2019-04-09        来源:网络资料汇编        作者: Rocky lee


      Massive MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output)天线阵列,即大规模多输入多输出天线阵列,这个概念里面涵盖了两层信息:(1)大规模天线阵列(多大算大?),(2)多输入多输出天线。

      首先,我们从MIMO的层面入手来展开这个话题,MIMO是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,实现信号的空间复用。其包含两个核心思想,空间分集技术和空间复用技术,前者用来解决可靠性问题,后者用来解决容量问题。简单来讲,空间分集技术就是用多个天线发送同样的数据,对接收端来讲,便极大的提高了信号传输的可靠性;空间复用技术就是利用多个天线同时发送独立的数据,这样就增加了系统的数据容量,容量会随着发射端或接收端天线数中较小的一方min(N,M)的增加而线性增加。其工作原理如图1所示,4G时代的天线水平配置有1*2(1收2发)、2*2、2*4、4*4等规格。

     5G核心技术之Massive MIMO天线阵列

图1:MIMO工作原理图         

      其次,我们来讨论大规模的内涵,也涉及两个核心思想,天线数量和信号覆盖的维度。

      就天线数量而言,4G时代的天线数量以根计数(2,4和8),而5G时代的Massive MIMO的天线却需要用阵列来计数(多达到64,128和256),如图2所示;根据天线理论,天线长度应与波长成正比,大约在1/10~1/4之间,5G时代电磁波(高频段)波长达到毫米级别,天线尺寸随之减小,可以满足移动通信终端尺寸限制。


5G核心技术之Massive MIMO天线阵列

图2:MIMO工作原理图  


      就信号覆盖的维度而言,4G时代的天线实际信号是水平移动的,垂直方向是不动的,故被称为2D-MIMO,而Massive MIMO,实际信号是在信号水平维度的基础上增加垂直维度的空域进行利用,信号的辐射呈波束状,故也被称为3D-MIMO,如图3所示。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,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。

     5G核心技术之Massive MIMO天线阵列


图3:Massive MIMO信号覆盖维度示意图 

       后记:

       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。

       Massive MIMO天线阵列无疑是把双刃剑,天线越多,波束宽度越窄。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;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。

       Massive MIMO使得在同频同时下,通过地理位置的不同,实现对不同终端的通信,极大的提升了频谱效率,但不能解决频率选择性衰落问题;而OFDM(正交频分复用,后续撰文单独讨论)技术可以扩大频谱利用效率,解决多径传输效应和频率选择性衰落问题,但是不能解决系统容量问题。这样一来,OFDM-MIMO系统的组合可算是无线通信领域的重大突破!

    


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