解析Massive MIMO大規模天線原理及實現2.61Gbps 峰值速率

解析Massive MIMO大規模天線原理及實現2.61Gbps 峰值速率

工程師2 發表於 2018-05-05 09:51:00

在巴塞隆納舉辦的世界移動大會上，中興通訊Pre5G FDD Massive MIMO業務演示，採用8部終端同時接入，實現單小區2.6Gbps峰值速率，頻譜效率提升達到8倍。驚聞倍感吃驚，有點措手不及，趕緊翻開資料補補課，於是一個不可救藥的技術宅就寫了一篇長文。

什麼是Massive MIMO？

Massive MIMO就是在基站側配置遠多於現有的系統的大規模天線陣列的MU-MIMO，來同時服務多個用戶，也稱為Large Scale MIMO。

為什麼我們需要Massive MIMO？

先來複習一遍最基礎的無線通信知識。假設基站與手機的距離為R，基站天線的發射功率為Ptx，那麼，手機天線接收到的信號功率Prx是多少呢？

在自由空間中，信號強度與距離的平方成反比衰減，最簡單的公式是這樣的。..

這個公式告訴我們，基站與手機的距離增大到2倍，手機接收信號強度將衰減4倍。

不過，實際上手機接收到的信號強度還受頻率（波長λ）、發射天線增益（Gtx）和接收天線增益（Grx）的影響。譬如頻率，從2G到4G，以至5G，移動通信使用的頻段越來越高（波長越短），信號覆蓋距離也越短。

因此，一個更完整的公式是這樣的。..

根據這個公式，想一想，如何才能提高手機接收信號強度呢？

答案是：

①增加發射功率Ptx

②縮短手機與基站間的距離R

③增加波長（使用低頻段）

④增大接收天線增益

⑤增大發射天線增益

你會選擇哪些選項呢？對於①②③，由於受客觀條件限制，只能是理論上的美好想像。我們不能無限增大功率，縮短基站與手機的距離意味著建站花錢，低頻段資源是有限的。

只剩下增大天線增益了！

也許我們可以對單天線進行改良設計，不過企圖用這種方法來補償因高頻段和距離導致的信號衰減猶如杯水車薪。

唯一的辦法是增加天線數量！

想像一下，一大堆天線同時發力，多束信號疊加，不但提升增益，還可降低單天線發射功率，進而平衡能耗和成本，而且在對抗信號衰減上更具穩健性，還可降低時延。而對於衰減更厲害的5G高頻段，Massive MIMO更是不可或缺。

講真，我們辛辛苦苦在物理層上研究費老大的勁也沒能提升幾個dB增益，還不如直接增加天線，效果立竿見影。Massive MIMO，大有可為！

說完大規模天線，就得講講MU-MIMO了。

MU-MIMO

香農定理點對點的信道容量受限於基站發射功率和信噪比。

看看上面的公式，對於點對點單用戶，你要想把頻譜效率從4bit/s/Hz 提升到8bit/s/Hz，你得增大17倍功率。

我們一直受限於香農定理，直到MIMO出現。它跳出了點對點單用戶的框框，將單一點對點信道變換成多個並行信道來處理，以至於頻譜效率主要取決於並行信道數量，從而提升了系統容量和頻譜效率。MIMO是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，採用空間分集的方法使不同的信號在相同的頻率下同時傳送。

MIMO技術經歷了從SU-MIMO（單用戶MIMO）向MU-MIMO（多用戶MIMO）的發展過程。

如上圖所示，（a）和（b）均屬於SU-MIMO，它的特點是只服務單一終端，終端受限於天下數量和設計複雜性，從而限制了進一步發展。

而MU-MIMO將多個終端聯合起來空間復用，多個終端的天線同時使用，這樣以來，大量的基站天線和終端天線形成一個大規模的虛擬的MIMO信道系統。這是從整個網絡的角度更宏觀的去思考提升系統容量。

不過，這麼多天線引入，信號交叉，必然會導致幹擾，這就需要預處理和波束賦形（Beamforming）技術了。

預處理和波束賦形

波束賦形是指，大規模多天線系統可以控制每一個天線單元的發射（或接收）信號的相位和信號幅度，產生具有指向性的波束，消除來自四面八方的幹擾，增強波束方向的信號。它可補償無線傳播損耗。

至於3D Beamforming，是指在三維空間（水平和垂直空間）形成傳輸信號的分離波束。

至於預處理，由於在Massive MIMO下，系統處於「中心基站－分散終端」的工作模式，信號傳輸發生在基站和各個用戶之間，各個用戶之間無法通信，單個用戶對其它用戶的信道情況和發送信息一無所知，所以，基站需要收集所有用戶的CSI（Channel States Information，信道狀態信息）來進行預編碼和調度，將用戶信號進行有效分離，從而對抗用戶間的幹擾。

需要說明的是，Massive MIMO的波束賦形和我們通常理解的波束賦形是不一樣的。它並不是波束直線指向用戶終端，而是可以從多個不同方向指向終端。信號預處理算法可以為波束安排最佳路由，它也可以在精確協調下將數據流經由障礙物反射路徑發送到指定用戶。

這裡有一個經典的演示。

假設在一個周圍建築物密集的廣場邊上有一個全向基站（紅色圓點），周圍不同方向上分布3臺終端（紅、綠、藍X）。

未採用Massive MIMO場景下，當紅色終端和基站通信時，無線傳播路徑是這樣的。..

採用Massive MIMO場景下，並引入精準的波束賦形後，情況就神奇的變成這樣了。..

Massive MIMO可改善能效，提升頻譜效率，也就不難理解了吧！

不過，問題來了！

基站要精確的掌握信道信息和終端位置，要像武林高手一樣彈指間點中對手死穴，可不是一件容易的事。

在Massive MIMO下，基站向終端發送導頻（pilots），並將CSI反饋（feedback）給基站，我們會遇到兩個棘手的問題：

（1）天線之間的下行導頻需相互正交，這意味著天線越多，下行導頻佔用的時頻資源就越多。

（2）終端向基站反饋也要消耗上行時頻資源，且隨著天線數量成正比例上升，可能是傳統系統的上百倍。

由於TDD系統上下行使用同一頻段，可以單邊的基於上行信道狀況估計下行信道，即利用上下行信道的互易性來推斷基站到終端的下行鏈路。

而對於FDD系統，多了大量CSI反饋，隨著天線數量增加，不但開銷增大，且反饋信息的準確性和及時性也存在降低的可能。

因此，業界一直以為，Massive MIMO在FDD上更難於部署。

也正因如此，今天從巴塞隆納傳回的消息令人欣喜。中興是如何實現的呢？我想無非就是像一位武林高手要練成一門絕世武功一樣，閉關苦練必不可少吧，現實生活中絕對沒有金庸小說裡那麼多偶然。

中興是如何實現的？

2015年，中興基於TDD的Pre5G Massive MIMO完成產品開發和外場測試，多家運營商開始商用測試和部署。

TDD Massive MIMO 1.0

2016年2月，在巴塞隆納舉行的MWC 2016世界移動通信大會上，該產品榮獲 「最佳移動技術突破」（Best Mobile Technology Breakthrough）以及「CTO之選」（Outstanding overall Mobile Technology-The CTO’s Choice 2016）雙料大獎，這可是被業界認可的最高榮譽。

TDD Massive MIMO 2.0

隨後，在中國、日本、印尼等人口大國的運營商進行了規模商用部署，我們在街頭發現了中興的這個基於TDD的Pre5G Massive MIMO基站。

正是依託於TDD Massive MIMO技術規模商用積累的大量傳播特性數據，中興研發團隊創造性地提出FDD制式的Massive MIMO信道測量與估計專利算法，實現了FDD宏觀對稱性，在無須手機更多配合的情況下大幅提升了頻譜效率。

同時，中興通訊自研的矢量處理晶片MCS2.0提供了強大的信號運算與處理能力，為FDD Massive MIMO複雜的算法實現提供了可能。

閉關修煉，終成正果。2016年12月30日，中興通訊發布了全球首個基於FDD LTE制式的Massive MIMO解決方案，並與中國聯通合作完成外場預商用驗證。

FDD Massive MIMO 2.0

今天，短短2個月後，我們又看到了中興在FDD Massive MIMO上的技術突破。無疑，作為中興Pre5G的標籤技術，Massive MIMO引入FDD制式後，為全球最為廣泛部署的FDD-LTE網絡解決了頻譜效率亟待提升的難題，將進一步拓展了Pre5G的商用空間。據稱，中興通訊Pre5G已經在全球30個國家，超過40個網絡中進行了部署。又一個新時代開啟，移動通信的發展速度實在令人驚嘆！

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