Massive MIMO：打通5G第一關

王欣

TDD MM開啟商用 FDD MM仍在測試

Massive MIMO作為5G關鍵技術，能夠提升頻譜效率達到提升基站容量的作用，我國三大運營商、設備商都十分重視其發(fā)展。

中移動憑借TDD制式的先天優(yōu)勢在發(fā)展Massive MIMO的路上一騎絕塵，并決定今年在熱點區(qū)域部署Massive MIMO，同時電信、聯(lián)通也在今年加緊對FDD Massive MIMO的研發(fā)。

不僅運營商擼起袖子加油干，產業(yè)鏈也十分給力。華為、中興、愛立信、諾基亞、大唐等設備商均推出Massive MIMO解決方案，并積極與運營商開展外場驗證工作。

MIMO的不斷嬗變

“Massive MIMO技術能夠極大提升5G系統(tǒng)性能，運營商、設備商都十分關注Massive MIMO技術?？梢灶A期，Massive MIMO有希望成為最先部署的5G技術?！币晃徊辉妇呙膶＜以诮邮堋锻ㄐ女a業(yè)報》（網(wǎng)）記者采訪時表示。

但是，如此巨大利好的5G關鍵技術其實并不是一項新技術。一般將Massive MIMO定義為采用了MIMO（Multiple Input Multiple Output）和波束賦形技術的大規(guī)模多天線系統(tǒng)。

MIMO就是在基站側和終端側部署多根天線，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，增強信道容量，提升信號質量。而波束賦形是一種基于天線陣列的信號預處理技術，就是可以將多根天線產生一個具有指向性的波束，將信號集中到欲傳輸?shù)姆较?，增強信號質量，減少干擾。所以，Massive MIMO不僅可以補償傳播損耗，還能夠擴展覆蓋范圍，發(fā)送多個數(shù)據(jù)流連接多個用戶，提升用戶速率。

MIMO技術和波束賦形技術對于廣大通信工作者來說并不陌生。早在3GPP規(guī)定的LTE Rel-8版本就將LTE設計了MIMO和波束賦形功能，那時給基站側定義了4根天線，并支持單流波束賦形技術，但并不能稱為“大規(guī)?！?。

在隨后的LTE-Advance Rel-10版本中，繼續(xù)增強MIMO性能，實現(xiàn)新的碼本和反饋設計以支持具有多達八個獨立流的空間復用和增強的MU-MIMO。

而在最近發(fā)布的LTE Rel-13標準中，3GPP研究了在基站側具有64個天線端口的更高階MIMO系統(tǒng)，并引入3D MIMO功能，支持垂直波束賦形。

不僅是標準不斷增強、試驗成果也在不斷革新。據(jù)了解，在仿真試驗中，在基站側部署128天線的Massive MIMO基站，其吞吐率可達到傳統(tǒng)的8天線TD-LTE基站的4-6倍，能夠幫助運營商最大限度利用已有站址和頻譜資源滿足高速增長的數(shù)據(jù)業(yè)務需求?？梢灶A見的是，隨著技術和產品不斷成熟，未來運營商會對Massive MIMO技術提出更高的要求，Massive MIMO技術必然會繼續(xù)嬗變。

TDD Massive MIMO：今年商用

“今年，中國移動計劃全網(wǎng)熱點區(qū)域分階段正式商用Massive MIMO?！敝袊苿友芯吭焊痹洪L黃宇紅在接受《通信產業(yè)報》（網(wǎng)）采訪時表示。

中國移動可以說是全球最早啟動和推進Massive MIMO技術的運營商。從2011年開始，中國移動就啟動了MassiveMIMO技術研究、性能評估和產品設計。2013年，聯(lián)合國內華為、中興等企業(yè)完成Massive MIMO的原型樣機開發(fā)和性能驗證，并且主導啟動Massive MIMO增強功能的標準化工作。2015年，完成預商用產品外場性能驗證。2016年，在北京、杭州等城市率先進行的商用試點，結果顯示，在現(xiàn)階段的極熱點區(qū)域，MassiveMIMO相比傳統(tǒng)8天線宏站能帶來1.5到2.5倍的頻譜效率提升，并且可進一步激發(fā)用戶需求。同時，聯(lián)合廠家發(fā)布全球首款2.6GHz三載波Massive MIMO商用產品。而今年，中國移動計劃在全網(wǎng)熱點區(qū)域分階段正式商用Massive MIMO。

同時，中國移動還計劃分三階段增強Massive MIMO技術。第一階段，在2017年充分利用TDD技術特有優(yōu)勢商用Massive MIMO第一個版本產品，現(xiàn)有4G商用終端可以直接獲益。第二階段，2018年-2019年由Massive MIMO基礎版本產品軟件升級至增強版本，可進一步提升20%的系統(tǒng)性能。第三階段，2020年，根據(jù)需要將Massive MIMO增強版本軟件升級至5G。同時，引入支持5G新空口的全新形態(tài)產品。

FDD Massive MIMO：開啟驗證

不難發(fā)現(xiàn)，早在2015年，中國移動就完成了全球首個基于LTE-TDD網(wǎng)絡的Massive MIMO預商用外場驗證。但在2016年底，F(xiàn)DD Massive MIMO才開始進入驗證階段。

顯而易見，相對于TDD Massive MIMO 的高歌猛進，F(xiàn)DD Massive MIMO的發(fā)展卻相對落后。

之所以FDD Massive MIMO發(fā)展難度較大是因為TDD和FDD信道特點不同。TDD是上下行工作在同一頻段，所以可以根據(jù)上行信道的狀況估計下行信道，從而獲取信道信息。但是，F(xiàn)DD獲取信道信息卻麻煩得多，因為FDD上下行工作在不同頻段，所以只能等到接收端信息反饋之后，才能得到信道信息。

中國聯(lián)通網(wǎng)絡技術研究院李福昌在撰文中表示，F(xiàn)DD Massive MIMO技術受限于信道測量，需要更加復雜的信道估計和預編碼，由于各場景無線環(huán)境差異較大（如移動環(huán)境等），需要針對信道估計和預編碼算法進行不斷完善和優(yōu)化。

“在信道信息獲取方面，TDD具有先天優(yōu)勢，F(xiàn)DD則面臨更大的技術挑戰(zhàn)?！敝袊娦偶夹g創(chuàng)新中心副主任楊峰義在接受《通信產業(yè)報》（網(wǎng)）記者專訪時表示。

雖然，F(xiàn)DD Massive MIMO發(fā)展較晚且面臨諸多挑戰(zhàn)，但是中興、華為都研發(fā)了FDD Massive MIMO產品，而其他設備商也在加緊研發(fā)，同時中國電信和中國聯(lián)通均已基于FDD網(wǎng)絡的Massive MIMO驗證。

據(jù)了解，去年12月，中興發(fā)布首個基于FDD-LTE制式的Massive MIMO解決方案，并與中國聯(lián)通集團福建分公司在泉州創(chuàng)新基地完成了外場驗證， 并實現(xiàn)提升小區(qū)吞吐量3倍以上。

同時，今年1月，華為也與聯(lián)通在上海完成基于FDD-LTE制式的Massive MIMO技術的外場驗證，在20MHz頻譜上，使用Rel-8版本的兩天線接收終端，實現(xiàn)網(wǎng)絡峰值速率697.3Mbps，比傳統(tǒng)FDD LTE提高4.8倍。

“在2016年底和2017年初，中興和華為均發(fā)布了FDD Massive MIMO商用樣機，并與中國電信、中國聯(lián)通完成了初步測試，單站初步測試結果表明，F(xiàn)DD Massive MIMO可有效提升小區(qū)吞吐量3倍以上。”楊峰義表示。

Massive MIMO的外場驗證已經開始。據(jù)媒體披露，中國聯(lián)通今年計劃開展FDD Massive MIMO的外場商用試驗測試，并選取兩三個試點城市進行驗證。

TDD Massive MIMO：三點挑戰(zhàn)

雖然TDD Massive MIMO技術研發(fā)較早且較為成熟，但任何一個技術的商用之路都并非坦途，TDD Massive MIMO技術仍然面臨支持的頻率有限、設備成本高、需提升設備集成度的挑戰(zhàn)。

“TDD Massive MIMO技術仍然存在三點挑戰(zhàn)。首先，設備價格偏高，影響產業(yè)規(guī)?；l(fā)展，希望產業(yè)各環(huán)節(jié)共同來努力，讓Massive MIMO具備規(guī)?；l(fā)展能力。其次，設備集成度仍需改進，需要進一步降低體積和重量。最后，應用在更低頻段（1.9GHz）仍有挑戰(zhàn)，需要推動器件進一步成熟。”黃宇紅表示。

針對TDD Massive MIMO帶來的挑戰(zhàn)，黃宇紅提議，首先要通過MassiveMIMO逐漸規(guī)模商用，持續(xù)推進元器件和芯片產業(yè)的成熟，進一步降低Massive MIMO設備成本和體積重量。其次，持續(xù)推進Massive MIMO技術演進，推動Massive MIMO端到端產業(yè)成熟，提前按照5G指標對Massive MIMO基站設備硬件部分進行要求，實現(xiàn)LTE Massive MIMO可通過軟件升級平滑演進至5G。

FDD Massive MIMO：挑戰(zhàn)更大

光從先天條件就敗下陣來的FDD Massive MIMO要想商用自然面臨更大的挑戰(zhàn)。誠然，F(xiàn)DD Massive MIMO要想商用也必須跨過設備體積偏大、部署難度大、設備成本偏高的坎。

李福昌表示，F(xiàn)DD Massive MIMO目前尚處于研發(fā)階段，核心產品和算法都需要優(yōu)化完善，不僅和TDD Massive MIMO一樣面臨需要提升設備集成度和降低設備成本的挑戰(zhàn)，同時還需要進一步提升終端成熟度。

他表示，F(xiàn)DD Massive MIMO在產品實現(xiàn)上大多采用RRU+天線集成的方案，且都采用大規(guī)模天線系統(tǒng)，在帶來更高增益和性能的同時，設備重量和體積也遠高于普通基站，因此在實際部署中面臨承重大、抗風大等諸多挑戰(zhàn)，所以日后還需繼續(xù)提高產品集成度，使產品更加小型化。同時，其設備成本仍然偏高。

除此之外，終端成熟度是FDD Massive MIMO需要獨自面臨的挑戰(zhàn)。因為TDD Massive MIMO不需要終端升級支持，而FDD Massive MIMO需要終端支持TM9。但是目前現(xiàn)網(wǎng)支持TM9的終端比例低于4%，這就表示缺乏足夠的TM9用戶形成MU-MIMO，有效提升頻譜效率。

無獨有偶，楊峰義也表示，F(xiàn)DD Massive MIMO面臨五方面的挑戰(zhàn)。第一，為形成多用戶波束，信道信息的獲取必須及時準確。FDD Massive MIMO技術需要克服在信道獲取開銷、精度方面技術挑戰(zhàn)。第二，基站和終端的產業(yè)鏈挑戰(zhàn)。第三，RRU和天線一體化設計會帶來測試挑戰(zhàn)。第四，Massive MIMO陣子數(shù)目龐大，會帶來產品體積增大問題，低頻點FDD在體積、重量方面存在部署挑戰(zhàn)。第五，規(guī)模組網(wǎng)下，考慮小區(qū)間干擾、控制信道覆蓋、波束管理時的組網(wǎng)性能挑戰(zhàn)。

針對這些問題，目前中國電信正持續(xù)開展研究與驗證模塊化Massive MIMO、虛擬扇區(qū)化等解決方案，克服FDD Massive MIMO技術難題、推動FDD Massive MIMO商用。