5G关键技术——Massive MIMO 基本原理

摘要

近年来移动数据业务量呈现几何指数增长，在可预测的未来我们急需能够满足更高的传输速率，更大的带宽容量和更低延时的无线通信系统。而相比较第四代（4G），第五代（5G）移动通信需要在无线传输上取得突破性创新，以实现频谱效率和功率效率提升10倍以上的目标，其中，Massive MIMO(大规模天线技术,亦称为Large Scale MIMO)是第五代移动通信(5G)中提高系统容量和频谱利用率的关键技术。

本文将Massive MIMO技术的研究进行原理阐述，其中重点阐述MIMO技术在功率增益上的提高——波束成形（beamforming）和波束控制（beam steering）技术。

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引言

随着信息技术系统的不断发展，人们对移动数据业务的需求也在不断增长。如何在4G基础上能做到更高的传输效率、更低的传输时延和更合理的能耗比例是对当前5G无线移动通信的极大挑战。

采用Massive MIMO技术是挖掘无线空间纬度资源、提高频谱资源利用率和功率利用的基本途径，MIMO技术可以提供供分集增益、复用增益和功率增益。分集增益可以提高系统的可靠性，复用增益可以支持单用户空间复用和多用户的空分复用，而功率增益可以通过波束成形和波束控制提高系统的功率效率。

本文将重点阐述波束成形和波束控制原理。

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多天线系统(MIMO)技术

MIMO系统模型结构如图1-1所示，MIMO 系统发送端和接收端都对应多根天线，图中的 MIMO系统具体包含Ｎ根发射天线和Ｍ根接收天线。在接收端，每根接收天线均收到来自Ｎ根发射天线的数据 , 所以不同的收发天线之间的信道对应不同的信道系数。

MIMO技术是一种将天线分集和空时技术相结合形成的特定技术，MIMO技术运用天线分集中的发射分集和接收分集技术，还将信道编码结合，对提升系统性能有很大优势。通信系统在接收端和发送端若都采用MIMO技术，并且利用先拿个影的信号传输和处理技术，对空间资源的有效开发和多径效应的有效利用，可以在空中建立多条连接通路。可以在不增加发射功率和带宽的前提下，对通信系统的通信质量和数据传输速率进行多倍提升。

对于无线通信系统的多径效应：若通信传输中收发端都采用多天线技术，那么各天线之间保持足够的间距，那么多径信道中的分量足够多，那么对多径衰落都会呈现出相对独立的趋势。即，这些同频、同时、同信道的多径子信道之间能相互正交。

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从香农公式到Massive MIMO

首先观察香农公式如下：

式中，C 代表信道也就是传输通道可传送的最大信息速率，简称为信道容量；B 代表信道也就是传输通道的带宽；S/N 代表接收信号的信噪比。从香农公式可知，对于单信道而言，要增加信道容量C，无非四种方式：或增大通信通道，或增加带宽B，或增加信号功率S，或减少噪声或干扰信号的功率N。

若增大通信通道N，那么需要进行多通道扩展；若增大带宽B，则需要采用大带宽；若想增大信噪比，对于工程应用而言，增大信号强度S比减小噪声功率更易实现，对于终端来说通常采用增大接收功率的方法。

那么需要达到这三个要求需要采用什么技术呢？首先对于多通道扩展，则需要使用空间复用，具体实现即MIMO技术；对于大带宽要求，则采用毫米波技术，加大发射功率并能有效增大带宽的需求；若想要增大发射功率，就需要查看另一个弗林斯传输公式:

由上式可知：若想增大接收功率，要么增大发射功率，要么增大收发端的增益，要么增大信号波长，要么缩短收发端的距离。但是对于工程而言，基站的发射功率是有限制要求的，所以增大发射功率不可取；由于低频频段的可用资源匮乏，所以增大信号波长也不现实；另外缩短基站到终端的距离是可以的，并且适用于小范围高密度区域。那么就只剩下从增益考虑去如何增大接收功率，对于接收端的增益相对比发射端增益实现会更加困难，则一般考虑增大发射增益。此时，由毫米波和增大发射增益的需求则引出一个重要的技术——beamforming技术。

所谓的Massive MIMO技术从实质而言，即是空间复用和波束赋形技术的结合——

MIMO＋beamforming。

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Massive MIMO中的beamforming技术

Massive MIMO的定义：Massive MIMO利用MIMO技术并使用数十根甚至上百根天线将传统MIMO天线系统扩展为大规模天线矩阵，从而利用大规模天线矩阵所提供的波束赋形技术聚焦传输和接收信号的能量到有限区域来提高能量效率和传输距离，并利用MIMO空间复用技术提高传输效率。

①  beamforming相比较传统天线的优势

由上图1-2可知，在传统的天线扇区覆盖中，天线的辐射范围近似于圆形。但是可以观察到，对于当前的终端而言，在整个扇区的覆盖范围内只有终端到基站的直线距离才算是有效覆盖，而旁边的其他覆盖可以说都是浪费掉了。但是如果换成如图1-3所示的多个阵列天线，实行专向的天线覆盖，那么从发射功率(PBS)的角度来看，二者相差了125倍。也即是说若以相同的功率发射，beamforming的天线可以覆盖更远的范围（增大了小区的覆盖范围），终端的接收效果也会有显著增强，对于边缘覆盖起到了良好作用。另外，因为beamforming是直接将信号发射给基站，那么也可以达到降低时延、抵抗干扰和提高传输速率的作用。

②  beamforming实现原理

首先了解天线振子的概念，在MIMO技术中，往往使用的是半波振子。如图1-4是半波振子及其从俯视角观察到的辐射过程：

如图可以观察到，单个的半波振子在辐射过程中，会向外发射信号（蓝色为波谷，红色为波峰）。

若将两个半波振子摆放至0.5⋋处并按相同相位发射，如图1-5：

                    

图1-5  两个半波振子摆放在0.5⋋ 处，按相同相位

可以观察到，当两个半波振子摆放到0.5⋋的位置，采用相同相位来进行发射时，在垂直于振子方向上，发射信号是叠加的——波峰与波峰叠加，波谷与波谷叠加。但是在水平于振子方向上，发射信号波峰与波谷叠加。由此会形成在垂直振子方向上由于波谷和波谷、波峰与波峰相互叠加，那么信号会得到增强；而在水平于振子方向上由于波峰与波谷相互叠加，信号会得到衰减(或抵消)。由此，天线振子便形成了垂直方向上的方向性。

若将两个半波振子摆放至0.5⋋处并按相位差π的相位发射，如图1-6：

由上图可以观察到，当两个半波振子摆放至0.5⋋处并按相位差π的相位向外发射信号时，其信号叠加的情况恰于相位相同的情况相反：在垂直于振子方向上信号衰减(或抵消)，在水平于振子方向上信号增强。天线振子形成了水平方向上的方向性。

由以上图1-4、1-5、1-6可以总结出：增加半波振子的个数可以增强信号的发射功率；改变振子的相位可以调整信号发射的方向。其中，将多个天线振子进行并列排布使发射信号形成方向性的技术被称为波束赋形(beamforming)；多个振子之间改变相对相位达到控制发射方向的技术被称为波束导向(beam steering)

③  beamforming——振子数量、距离及波束关系

首先观察图1-7:

如上图所示，当振子随着间距改变时，振子所发射的波束也随之变化：振子在0.5⋋位置时波束变化最集中，即主瓣；当振子间距逐渐扩大，波束会随之产生一些副波束，即主瓣加旁瓣结构。

图1-8展示了多振子改变间距产生的波束变化：

如上图所示，当振子数量改变时，振子发射的波束随着数量的增加和间距的增大，会使得主瓣变得更窄(增强)。

图1-9展示振子数量与其波束主瓣强度之间的变化关系：

如图所示，当振子数越多时，主瓣强度变化得越集中，但是在主瓣增强的过程中，旁瓣所占比例也越来越大，即主瓣变得更窄了。

综上，在设计天线振子的阵列排布时，需要考虑到振子数量和其排布间距之间的关系，根据实际情况进行最优排布。

④  beam steering——如何改变波束方向

如图所示，天线振子之间的距离为d，发射信号的主瓣方向与振子连线方向的垂直方向成θ，则：

一振子a与其相邻振子b发射信号的时间差；

振子a与振子b之间的相位差为，即；

将代入，则有：；

当d=λ/2时，有 

由此，我们可以得出以下结论：

当d=λ/2时， 若Δφ=0，θ=0°；

若Δφ=π/2，θ=30°；

若Δφ=π，θ=90°

综合以上技术，以此产生了3D-beamforming的技术应用——一种基于三维空间的信号发射控制方式。