一文透彻阐述 Massive MIMO大规模天线原理及实现2.61Gbps 峰值速率

通信

采用8部终端同时接入，实现单小区2.6Gbps峰值速率，频谱效率提升达到8倍。惊闻倍感吃惊，有点措手不及，赶紧翻开资料补补课，于是一个不可救药的技术宅就写了一篇长文。
什么是Massive MIMO？Massive MIMO就是在基站侧配置远多于现有的系统的大规模天线阵列的MU-MIMO，来同时服务多个用户，也称为Large Scale MIMO。
为什么我们需要Massive MIMO？先来复习一遍最基础的无线通信知识。假设基站与手机的距离为R，基站天线的发射功率为Ptx，那么，手机天线接收到的信号功率Prx是多少呢？

在自由空间中，信号强度与距离的平方成反比衰减，最简单的公式是这样的...

这个公式告诉我们，基站与手机的距离增大到2倍，手机接收信号强度将衰减4倍。
不过，实际上手机接收到的信号强度还受频率（波长λ）、发射天线增益（Gtx）和接收天线增益（Grx）的影响。譬如频率，从2G到4G，以至5G，移动通信使用的频段越来越高（波长越短），信号覆盖距离也越短。
因此，一个更完整的公式是这样的...

根据这个公式，想一想，如何才能提高手机接收信号强度呢？
答案是：
①增加发射功率Ptx
②缩短手机与基站间的距离R
③增加波长（使用低频段）
④增大接收天线增益
⑤增大发射天线增益
你会选择哪些选项呢？对于①②③，由于受客观条件限制，只能是理论上的美好想象。我们不能无限增大功率，缩短基站与手机的距离意味着建站花钱，低频段资源是有限的。
只剩下增大天线增益了！
也许我们可以对单天线进行改良设计，不过企图用这种方法来补偿因高频段和距离导致的信号衰减犹如杯水车薪。
唯一的办法是增加天线数量！

想象一下，一大堆天线同时发力，多束信号叠加，不但提升增益，还可降低单天线发射功率，进而平衡能耗和成本，而且在对抗信号衰减上更具稳健性，还可降低时延。而对于衰减更厉害的5G高频段，Massive MIMO更是不可或缺。
讲真，我们辛辛苦苦在物理层上研究费老大的劲也没能提升几个dB增益，还不如直接增加天线，效果立竿见影。Massive MIMO，大有可为！
说完大规模天线，就得讲讲MU-MIMO了。
MU-MIMO香农定理点对点的信道容量受限于基站发射功率和信噪比。

看看上面的公式，对于点对点单用户，你要想把频谱效率从4bit/s/Hz 提升到8bit/s/Hz，你得增大17倍功率。
我们一直受限于香农定理，直到MIMO出现。它跳出了点对点单用户的框框，将单一点对点信道变换成多个并行信道来处理，以至于频谱效率主要取决于并行信道数量，从而提升了系统容量和频谱效率。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，采用空间分集的方法使不同的信号在相同的频率下同时传送。
MIMO技术经历了从SU-MIMO（单用户MIMO）向MU-MIMO（多用户MIMO）的发展过程。

如上图所示，（a）和（b）均属于SU-MIMO，它的特点是只服务单一终端，终端受限于天下数量和设计复杂性，从而限制了进一步发展。
而MU-MIMO将多个终端联合起来空间复用，多个终端的天线同时使用，这样以来，大量的基站天线和终端天线形成一个大规模的虚拟的MIMO信道系统。这是从整个网络的角度更宏观的去思考提升系统容量。
不过，这么多天线引入，信号交叉，必然会导致干扰，这就需要预处理和波束赋形（Beamforming）技术了。
预处理和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。
至于预处理，由于在Massive MIMO下，系统处于“中心基站－分散终端”的工作模式，信号传输发生在基站和各个用户之间，各个用户之间无法通信，单个用户对其它用户的信道情况和发送信息一无所知，所以，基站需要收集所有用户的CSI（Channel States Information，信道状态信息）来进行预编码和调度，将用户信号进行有效分离，从而对抗用户间的干扰。
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。
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）。

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...

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...

Massive MIMO可改善能效，提升频谱效率，也就不难理解了吧！
不过，问题来了！基站要精确的掌握信道信息和终端位置，要像武林高手一样弹指间点中对手死穴，可不是一件容易的事。
在Massive MIMO下，基站向终端发送导频（pilots），并将CSI反馈（feedback）给基站，我们会遇到两个棘手的问题：

（1）天线之间的下行导频需相互正交，这意味着天线越多，下行导频占用的时频资源就越多。
（2）终端向基站反馈也要消耗上行时频资源，且随着天线数量成正比例上升，可能是传统系统的上百倍。
由于TDD系统上下行使用同一频段，可以单边的基于上行信道状况估计下行信道，即利用上下行信道的互易性来推断基站到终端的下行链路。
而对于FDD系统，多了大量CSI反馈，随着天线数量增加，不但开销增大，且反馈信息的准确性和及时性也存在降低的可能。
因此，业界一直以为，Massive MIMO在FDD上更难于部署。
也正因如此，今天从巴塞罗那传回的消息令人欣喜。中兴是如何实现的呢？我想无非就是像一位武林高手要练成一门绝世武功一样，闭关苦练必不可少吧，现实生活中绝对没有金庸小说里那么多偶然。
中兴是如何实现的？2015年，中兴基于TDD的Pre5G Massive MIMO完成产品开发和外场测试，多家运营商开始商用测试和部署。

TDD Massive MIMO 1.0
2016年2月，在巴塞罗那举行的MWC 2016世界移动通信大会上，该产品荣获 “最佳移动技术突破”（Best Mobile Technology Breakthrough）以及“CTO之选”（Outstanding overall Mobile Technology-The CTO’s Choice 2016）双料大奖，这可是被业界认可的最高荣誉。

TDD Massive MIMO 2.0
随后，在中国、日本、印尼等人口大国的运营商进行了规模商用部署，我们在街头发现了中兴的这个基于TDD的Pre5G Massive MIMO基站。

正是依托于TDD Massive MIMO技术规模商用积累的大量传播特性数据，中兴研发团队创造性地提出FDD制式的Massive MIMO信道测量与估计专利算法，实现了FDD宏观对称性，在无须手机更多配合的情况下大幅提升了频谱效率。
同时，中兴通讯自研的矢量处理芯片MCS2.0提供了强大的信号运算与处理能力，为FDD Massive MIMO复杂的算法实现提供了可能。
闭关修炼，终成正果。2016年12月30日，中兴通讯发布了全球首个基于FDD LTE制式的Massive MIMO解决方案，并与中国联通合作完成外场预商用验证。

FDD Massive MIMO 2.0
今天，短短2个月后，我们又看到了中兴在FDD Massive MIMO上的技术突破。无疑，作为中兴Pre5G的标签技术，Massive MIMO引入FDD制式后，为全球最为广泛部署的FDD-LTE网络解决了频谱效率亟待提升的难题，将进一步拓展了Pre5G的商用空间。据称，中兴通讯Pre5G已经在全球30个国家，超过40个网络中进行了部署。又一个新时代开启，移动通信的发展速度实在令人惊叹！

王栋春 · 2019-5-14 21:36:41

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