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大规模|MIMO及大规模MIMO的技术原理与应用( 二 )


（1）信道容量大幅增加。
如前所述，当接收信噪比和信道带宽一定时，MIMO系统的容量随发射天线个数和接收天线个数中最小值的增加而线性增加。因此，大规模MIMO技术的使用，必然会大大提高信道容量。当然，在实际的系统中，由于各方面复杂因素的影响，会导致容量增加的幅度小于理论值。
图6是针对16通道、32通道、64通道和128通道大规模MIMO系统性能的仿真对比结果。
图6：不同通道数的大规模MIMO系统性能对比
（引自网络文献）
根据中国移动研究院给出的数据，在实际5G系统中，大规模MIMO技术对容量的提升效果如下：
表2 大规模MIMO技术对5G小区容量的提升
（2）波束更窄，能量效率更高，系统内干扰更低。
由于普通的MIMO技术天线数量较少，故其波束较宽；而大规模MIMO技术由于其天线数量较多，故其波束较窄，使得能量更集中于有效的空间内，小区间和用户间的干扰更小。
大规模|MIMO及大规模MIMO的技术原理与应用
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图7 MIMO和大规模MIMO的波束宽度对比
（3）可实现三维波束赋形。
普通的MIMO技术只能在水平方向集中能量和调整波束指向，无法将垂直方向的能量集中于用户终端。而大规模MIMO技术由于其天线分布在水平和垂直两个方向，故其波束方向可以在水平和垂直两个方向调整，形成3D波束，因而大规模MIMO又称为3D-MIMO。
在高层楼宇较多的地区，大量的用户分布于不同高度的楼层，大规模MIMO这种在垂直方向调整波束指向的特点可以得到充分的利用，使得网络对楼宇内用户的覆盖质量得以加强。
图8 大规模MIMO可实现3D波束赋形，利于楼宇覆盖
大规模MIMO技术虽然有诸多的优点，但也有一些不足之处：
（1）算法复杂度大大提高。
由于天线数量庞大和小区内用户数量的增加，使得准确获取信道信息的难度大大增加，需要更为复杂的算法来实现下行波束赋形。
为了实现最佳的波束赋形，基站需要不断地获取信道的相关信息。在FDD系统中，这就需要为下行链路参考信号分配大量的资源，使得基站可以及时从用户终端获取下行信道的质量报告。
在TDD系统中，由于上下行使用同样的频点，上下行信道具有互易性，所以基站可以通过测量上行信道的质量，来获取相关的信息用于下行信道赋形，MIMO的实现简单了许多。
因此，目前大规模MIMO大都用于TDD系统。
（2）天线数量的增加导致天线与基站之间的馈线数量大大增加。
馈线数量的增加使得基站的工程实施难度增大。为了解决这一问题，在大规模MIMO系统中，需要将基站的射频部分与天线集成，不再使用馈线。
大规模|MIMO及大规模MIMO的技术原理与应用
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大规模MIMO技术的应用
作为一种有效提高信道容量的手段，大规模MIMO技术已经在4G和5G网络中得到了应用。
随着4G网络的发展，网络的数据流量不断上升。特别是在一些热点地区，既有的4G基站容量难以满足业务需求。因此，3GPP在3GPP R13中引入了大规模MIMO技术，支持水平和垂直方向的波束赋形，称之为FD-MIMO（Full Dimension MIMO）。
2016年，中国移动开始在4G网络中开展大规模MIMO的试验，并取得了较好的效果。2017年开始在4G现网部署大规模MIMO技术。
根据在4G网络的测试结果，当用户越多、网络负荷越重时，大规模MIMO对基站容量提升的效果越明显。
大规模|MIMO及大规模MIMO的技术原理与应用
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图9：大规模MIMO对4G现网基站吞吐量的提升
（资料来源于网络）
在5G网络中引入大规模MIMO技术，除了提高信道容量的原因外，还有另外一个重要的因素，就是加强5G基站的覆盖能力。
我们知道，5G的工作频段较高，随着无线频率的提高，路径损耗相应增大，对于建筑物的穿透损耗也加大。并且，当频率超过10GHz后，无线电波的绕射能力大大减弱。这些特点导致5G基站的覆盖半径大大缩短。
与此同时，高频段也带来一个优势，就是天线尺寸大大缩小，因而可以在一个较小的空间里，集成较多数量的天线，这非常利于大规模MIMO系统的实现。而大规模MIMO系统可以生成高增益的窄波束，能在一定程度上弥补5G基站覆盖能力弱的缺点。因此，在5G系统中引入大规模MIMO技术成为一种理所当然的选择。
在5G网络中，大规模MIMO的通道数可达到256通道。为了提高系统的鲁棒性，3GPP R15同时支持大规模MIMO的开环传输和闭环传输方式。在信道信息获取方面，R15支持2种CSI（Channel State Information）反馈方式：Type I和Type II。Type I反馈是利用波束选择原理，Type II反馈是利用波束组合原理，其性能增益比Type I大，但反馈开销明显增加。
在5G网络中，大规模MIMO系统产生的波束更窄、精确度更高，这一特性带来高增益和低干扰的同时，也对波束的管理提出了更高的要求。在R15中，将波束管理过程分为波束训练和波束追踪，分别在终端的初始接入阶段和数据传输阶段对波束进行赋形和追踪管理。
3GPP R15基本完成了5G NR对大规模MIMO要求的内容，在后续的R16还将进行进一步的完善和增强，以提高系统性能、降低时延和开销。


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