5G移動(dòng)通信中Massive MIMO技術(shù)的研究

摘 要：MIMO技術(shù)在LTE中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但是LTE中4天線、8天線已經(jīng)不能滿足5G的高速率要求，所以必須使用16天線、32天線甚至更多天線的Massive MIMO技術(shù)。本文針對Massive MIMO的使用原因做了詳細(xì)闡述，總結(jié)了Massive MIMO技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)以及使用場景。給讀者對Massive MIMO技術(shù)的了解帶來幫助。

關(guān)鍵詞：Massive MIMO;多天線;5G

Massive MIMO是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)5G高速率、大容量接入的關(guān)鍵。Massive MIMO即大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)，通過相互獨(dú)立的子載波波束，將用戶在空間進(jìn)行隔離從而傳輸不同用戶的數(shù)據(jù)，成倍增加系統(tǒng)的吞吐量。

一、Massive MIMO技術(shù)發(fā)展

Massive MIMO是在MIMO技術(shù)的延伸上發(fā)展而來的。在LTE中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。與LTE中MIMO的最多8根天線相比較，Massive MIMO在5G中則支持16、32、64、128甚至更大規(guī)模的天線。

二、弗里斯傳輸方程對MIMO技術(shù)的作用

根據(jù)弗里斯傳輸方程，通過傳輸功率、天線增益、距離、波長與接收功率可以計(jì)算出第一個(gè)天線到第二個(gè)天線的接收功率。公式如下：

Pr=PtGtGrλ4πR2

其中Pt是發(fā)射天線功率，Pr是接收天線功率，Gt是發(fā)射天線增益，Gr是接收天線增益，λ是工作波長，R為收發(fā)天線距離。

通過公式可以得出，理論上想要增大接收功率Pr，則可以增大發(fā)射功率Pt;增大發(fā)射天線增益Gt;增大接收天線增益Gr;增大工作波長λ以及減小收發(fā)天線距離。但是由于功放技術(shù)的極限限制以及國家無線管委會(huì)的規(guī)定，是不能無限制的增大天線發(fā)射功率Pt的。同時(shí)由于材料發(fā)展的瓶頸以及物理規(guī)律也不能直接無限提高發(fā)射天線增益Gt、接收天線增益Gr。想要減小收發(fā)距離，意味著運(yùn)營商需要多建基站，顯然也不可以。只有通過降低頻率來增加波長λ，但是低頻頻段資源極其有限，而且有一些還被2G、3G、4G暫時(shí)占用，無法使用。所以直接簡單的通過增加Pt、Gt、Gr、λ以及減小R來提高Pr顯然不能實(shí)現(xiàn)。

三、Massive MIMO背景下的波束賦形

波束賦形就是在MIMO背景下根據(jù)不同場景自適應(yīng)調(diào)整天線陣列方向圖的一種天線技術(shù)。在LTE中已經(jīng)有所應(yīng)用。傳統(tǒng)單天線通信方式在手機(jī)和基站之間建立了一條電磁波的通路，如果不進(jìn)行物理調(diào)節(jié)，其天線輻射圖是固定的，導(dǎo)致同時(shí)同頻可服務(wù)的用戶數(shù)量受限。而應(yīng)用了波束賦形技術(shù)后，基站側(cè)擁有更多的天線，便可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)各個(gè)天線上發(fā)射信號的相位，使得他們高度相關(guān)，在手機(jī)接收點(diǎn)形成有多個(gè)信號疊加的波束，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的信號增益來對抗損耗。通俗講，這個(gè)技術(shù)就像生活中發(fā)光的小燈泡，它的光是射向四面八方的，所以它的照亮范圍極其有限。但是一旦將燈泡裝入手電筒，加入反光罩，則光源可以射的更遠(yuǎn)，便可以增加某一個(gè)方向照亮的增益。

在通信系統(tǒng)中，天線數(shù)目越多、規(guī)模越大，波束賦形能夠大會(huì)的作用也就越明顯。與LTE 中波束賦形不同的是，5G中天線從一維多天線增加到二維多天線。所以波束賦形技術(shù)也從2D演變?yōu)?D，能夠同時(shí)控制日安縣方向圖在水平和垂直方向的形狀。3D波束賦形使得基站針對不同空間分布的用戶，將信號更加精準(zhǔn)的指向目標(biāo)用戶。

再來回到弗里斯傳輸方程，雖然我們沒有直接增加Gt來增加Pr，但是通過大規(guī)模的波束賦形實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于對多個(gè)波束進(jìn)行“整形”，從而變相提高了發(fā)射天線增益Gt。所以最終的Pr的提高還是基于弗里斯傳輸方程的。

四、Massive MIMO技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

（一）更加精準(zhǔn)的3D波束賦形，大大提高了接收信號強(qiáng)度

不同的波束都有各自非常集中的聚焦區(qū)域，使得用戶始終處于小區(qū)內(nèi)的最佳信號區(qū)域。

（二）同頻同時(shí)為更多用戶服務(wù)，提高網(wǎng)絡(luò)容量

由于在覆蓋空間中對不同用戶可形成獨(dú)立的窄帶波束覆蓋，從而使得天線可以同時(shí)為不同的用戶服務(wù)，成倍的提高了系統(tǒng)用戶容量。

（三）有效減少小區(qū)間干擾

由于更加窄的波束，可以更加精準(zhǔn)的服務(wù)用戶，避免信號輻射到鄰區(qū)，對鄰區(qū)造成干擾。

（四）更好覆蓋遠(yuǎn)、近端小區(qū)

由于5G中使用的3D波束賦形，波束能夠在水平和垂直兩個(gè)方向連續(xù)覆蓋，更好的覆蓋小區(qū)邊緣和小區(qū)天線下的用戶。

五、應(yīng)用場景

（一）重點(diǎn)區(qū)域多用戶場景

5G之前演唱會(huì)、聚會(huì)、體育賽事中，由于信號覆蓋范圍內(nèi)用戶過多，打電話上網(wǎng)都變得很困難。在5G使用了大規(guī)模MIMO后，可以使用更加精準(zhǔn)的波束和獨(dú)立的波束進(jìn)行覆蓋，從而提升用戶感受和系統(tǒng)容量。

（二）高樓覆蓋場景

用戶大量分布于不同樓棟的不同樓層，傳統(tǒng)的基站垂直覆蓋分為通常較窄，可能需要部署多個(gè)天線才可滿足要求，5G移動(dòng)通信中的3D波束賦形可有效的提升水平和垂直覆蓋的能力，從而解決高樓覆蓋問題。

六、總結(jié)

通過本文旨在讓讀者了解Massive MIMO技術(shù)發(fā)展、特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)。了解Massive MIMO在5G中發(fā)揮重要的作用，是5G速率大幅提升的關(guān)鍵。

作者簡介：魏超（1991-），男，陜西寶雞人，碩士，助教，主要研究方向：移動(dòng)通信技術(shù)。