Massive MIMO

什么是MIMO?从SISO到MIMO - 华为 (huawei.com)

Multiple-Input Multiple-Output,多入多出

概念: 在发送端和接收端都使用多根天线构成多个信道的天线系统,从而在不增加通信带宽的条件下有效提高信道容量(系统容量)、覆盖范围和信噪比。主要应用在WiFi和移动通信;通常讲的M×N MIMO是指发送端有M个天线,接收端有N个天线。
特点: 具有极高的频谱利用效率,但增加了收发端的处理复杂度。

一、从SISO到MIMO

  • SISO:单入单出,容量低、可靠性低
  • SIMO:单入多出,单发多收、接收分集;容量不变可靠性提高
  • MISO:多入单出,多发单收、发射分集;最终合成一路,因而还是发射相同信号、容量不变可靠性提高
  • MIMO:多入多出,可以发射多路独立信号、通过空分复用和空间分集等技术,在不增加占用带宽的情况下,提高系统容量、覆盖范围和信噪比。

二、MIMO类型

(1) 单用户MIMO:SU-MIMO(Single-user MIMO)
(2) 多用户MIMO:MU-MIMO(Multi-user MIMO):允许发射端(AP)同时和多个用户传输数据。Wi-Fi 5标准开始支持4用户的MU-MIMO,Wi-Fi 6标准将用户数增加到了8个,用于用户分布密集、多用户大流量并发的场景。
(3) Massive MIMO:大规模天线技术,极大提升了天线的数量,传统MIMO一般使用2~8天线,而Massive MIMO则可达到64/128/256个天线。可大幅提高系统容量和传输效率,是5G移动通信的关键技术。

三、MIMO工作原理

(1) 空间分集:增加传输距离、提高可靠性
制作同一个数据流的不同版本,分别在不同的天线进行编码、调制,然后发送。这个数据流可以是原来要发送的数据流,也可以是原始数据流经过一定的数学变换后形成的新数据流。接收机利用空间均衡器分离接收信号,然后解调、解码,将同一数据流的不同接收信号合并,恢复出原始信号。

WiFi 4标准引入的[[Massive MIMO#5G波束赋形|波束赋形]]技术也可以认为是一种分集技术。波束成形需要先检测信道状态,对各天线发送的信号进行预编码,使信号在接收端方向叠加增强。波束成形能够增加信号传输距离,提高接收端收到的信号质量。

(2) 空分复用:提高传输速率
空分复用技术是指将需要传送的数据分为多个数据流,分别通过不同的天线进行编码、调制,然后进行传输,从而提高系统的传输速率。天线之间相互独立,一个天线相当于一个独立的信道,接收机利用空间均衡器分离接收信号,然后解调、解码,将几个数据流合并,恢复出原始信号。

四、MIMO标准演进

  1. 在802.11n(wifi4)标准中提出MIMO;
  2. 802.11ac Wave2(Wi-Fi 5)引入了MU-MIMO技术,具体而言是指DL MU-MIMO,最大允许AP同时向4个终端发送数据。
  3. 802.11ax(Wi-Fi 6),又引入了UL MU-MIMO技术,解决了上行多用户传输的瓶颈问题,同时还将允许AP同时通信的最大终端数扩大到了8个,进一步提升了用户密集场景的传输效率。所以只要Wi-Fi设备支持Wi-Fi 5,就支持DL MU-MIMO,而支持Wi-Fi 6的话,则支持双向的MU-MIMO。

需要注意的是,MU-MIMO要生效,需要通信双方的AP和终端都支持MU-MIMO。如果网络中存在不支持MU-MIMO的终端,则AP和该类终端通信时,仍使用SU-MIMO,和支持MU-MIMO的终端通信时,继续使用MU-MIMO。

Massive MIMO_第1张图片

五、Massive MIMO大规模天线技术

Massive MIMO最早由美国贝尔实验室研究人员提出,研究发现,当小区的基站天线数目趋于无穷大时,加性高斯白噪声瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计,数据传输速率能得到极大提高。换个说法,在单天线对单天线的传输系统中,由于环境的复杂性,电磁波在空气中经过多条路径传播后在接收点可能相位相反,互相削弱,此时信道很有可能陷于很强的衰落,影响用户接收到的信号质量。而当基站天线数量增多时,相对于用户的几百根天线就拥有了几百个信道,他们相互独立,同时陷入衰落的概率便大大减小,这对于通信系统而言变得简单而易于处理。

(1)两个维度

天线数量:4G的2/4/8个,到64/128/256个;
信号覆盖:2D-MIMO只能水平方向移动,垂直方向不动,信号类似一个平面发射出去;而Massive MIMO是3D-MIMO,引入垂直维度的空域,信号的辐射状是个电磁波束。

(2)特点

复用增益和分集增益MU-MIMO

Massive MIMO系统的空间分辨率与现有MIMO系统相比显著提高,它能深度挖掘空间维度资源,使得基站覆盖范围内的多个用户在同一时频资源上利用大规模MIMO提供的空间自由度与基站同时进行通信,提升频谱资源在多个用户之间的复用能力,从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率。

5G波束赋形

Beamforming
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增强覆盖、提高能量效率
减少用户间干扰
灵活调整:3D波束赋形

波束赋形:通过调整多天线的幅度和相位,赋予天线辐射图特定的形状和方向,使无线信号能量集中于更窄的波束上,从而可增强覆盖范围和减少干扰。有了波束赋形,可形成精确的用户级超窄波束,并随用户位置而移动,将能量定向投放到用户位置,相对传统宽波束天线可提升信号覆盖,同时降低小区间用户干扰。
同时,还能通过3D波束赋形在垂直维度增加一个可以利用的维度,从而可更灵活的调整小区的垂直覆盖范围,改变传统二维的无线设计方式。

当然,Massive MIMO也面临天线拓扑、信道建模、FDD操作、用户跟踪、天线校准、调度和预编码复杂性等挑战

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