5G中MIMO技術(shù)分析及應(yīng)用

朱翔宇

摘 要：多輸入多輸出天線技術(shù)是無線移動通信領(lǐng)域的重大突破，在不增加帶寬的情況下，MIMO技術(shù)成倍的提高了通信質(zhì)量和頻譜利用率，是新一代通信系統(tǒng)必備的關(guān)鍵技術(shù)。在5G的建設(shè)中，大規(guī)模MIMO技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它解決了過去傳統(tǒng)天線技術(shù)信道容量低的問題，提高通信系統(tǒng)的容量，所需成本低，整個系統(tǒng)地頑健性強(qiáng)。MIMO技術(shù)因其覆蓋能力強(qiáng)而成為5G采用的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：MIMO；大規(guī)模MIMO天線

一、多輸入多輸出天線技術(shù)（MIMO）

MIMO技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢、被視為下一代移動通信的核心技術(shù)。

MIMO技術(shù)經(jīng)歷了從最初的點(diǎn)到點(diǎn)通信，到單小區(qū)多用戶MIMO，再到多小區(qū)MIMO的發(fā)展歷程。點(diǎn)對點(diǎn)單用戶MIMO由于在實(shí)際中天線數(shù)目是受限制的，所以信道容量不可能無限制增長。多用戶MIMO利用天線空間的自由度實(shí)現(xiàn)多用戶分離，其核心思想就是在盡可能地提高用戶接收功率的同時，降低不同用戶之間的干擾。MIMO技術(shù)之所以在4G系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)镸IMO技術(shù)通過利用收發(fā)兩端配置的多根天線，可以充分的利用空間資源，成倍的提高系統(tǒng)信道容量。一方面，多根天線的應(yīng)用可以形成分集效應(yīng)，用來對抗多徑效率及平坦性衰落，從而提高系統(tǒng)的頑健性，利用空間的自由度提高單位時間內(nèi)的信息傳播量，間接地提高頻譜資源的利用效率。大規(guī)模MIMO技術(shù)，又稱大規(guī)模天線陣列，指在收發(fā)兩端裝備超大數(shù)目的天線以發(fā)送和接收信號，從而使通信系統(tǒng)可以在相同的時頻資源塊上同時服務(wù)數(shù)十個用戶。

二、大規(guī)模MIMO技術(shù)的優(yōu)勢

大規(guī)模MIMO能夠提高系統(tǒng)容量及能量效率，主要特點(diǎn)是在基站側(cè)裝配了大量的天線，可以在基站和用戶之間形成多條獨(dú)立傳輸?shù)臄?shù)據(jù)鏈路，因此，可以獲得更大的空間復(fù)用增益。在系統(tǒng)傳輸功率一定的情況下，每一根天線分配到的功率更小，所以可以利用天線之間的相互作用，通過波束賦形將傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的用戶區(qū)域，降低了能源損耗。基站側(cè)利用多根天線向同一用戶發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，目標(biāo)用戶端對接收到的不同數(shù)據(jù)流的信號進(jìn)行相干疊加以增加期望信號強(qiáng)度，從而使得其余用戶端接收到的不同數(shù)據(jù)流的干擾可以相互抵消，降低干擾的影響。由此，系統(tǒng)的能量效率得到極大提升。

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的硬件設(shè)備成本低，易于在實(shí)際應(yīng)用中推廣。天線數(shù)目增加使系統(tǒng)對單根天線的精確度要求降低，從而使得需求器件的造價下降。同時，由于天線數(shù)目的增加，單根天線上的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)MIMO，所以可以使用廉價的功率放大器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高功率放大器。一方面，信號發(fā)射功率較小，直接降低了基站功耗；另一方面，基站輻射功率較小也可以減小基站對周邊環(huán)境的電磁輻射，降低對周邊生物的影響。

大規(guī)模MIMO提高系統(tǒng)的頑健性，采用大規(guī)模天線陣列，通?？梢岳枚喔炀€為同一用戶進(jìn)行服務(wù)，因此可以利用多徑效應(yīng)，在接收端利用信號合并對噪聲、干擾、硬件噪聲等進(jìn)行平均化，從而消除傳輸過程中各種不確定性的影響，也可以避免人為故意干擾，整體上提升信息傳輸?shù)目煽啃院陀行?。同時，傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)對于射頻鏈路的線性特征及放大器精度要求極高，往往系統(tǒng)某一部分的故障會導(dǎo)致系統(tǒng)整體崩潰。而大規(guī)模MIMO中天線單元眾多，部分的故障不會對整體的性能產(chǎn)生影響，系統(tǒng)的頑健性比傳統(tǒng)MIMO要高得多。

三、大規(guī)模MIMO天線

大規(guī)模MIMO技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵還在于天線的設(shè)計。面向5G的大規(guī)模MIMO天線的設(shè)計要求有3點(diǎn)：首先是MIMO天線要能夠同時實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用、空間分集和波束賦形；其次是陣列天線，需要很多天線振子單元以滿足大規(guī)模用戶數(shù)據(jù)的同時收發(fā)要求；最后是有源天線，通過將天線振子單元、輻射功放單元、耦合振蕩單元集為一體，在考慮維護(hù)和優(yōu)化方面實(shí)現(xiàn)天線的小型化。

由于技術(shù)方面的局限性和業(yè)務(wù)需求的臨時應(yīng)用性，傳統(tǒng)MIMO天線只能在空間復(fù)用、空間分集和波束賦形3個方案中，根據(jù)實(shí)際要求最大化地獲取其中一種或兩種增益，而無法完整發(fā)揮出三者的最佳性能。

實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用的首要條件是發(fā)射天線和接收天線的振子間距必須大到可以保證收發(fā)端的各個子信道是獨(dú)立衰落的不相關(guān)信道。空間分集對于天線振子的間距要求也是如此，空間分集的效果越好，決定了天線振子間距也必須足夠大。在實(shí)際的天線設(shè)計中，為了滿足空間復(fù)用和空間分集的技術(shù)性要求，天線振子的發(fā)射信號應(yīng)具有無關(guān)性，振子間距盡可能大，而波束賦形則要求振子單元的發(fā)射信號具有相關(guān)性，振子間距保持1/2波長的整數(shù)倍，這顯然是相互矛盾的。所以要充分發(fā)揮出MIMO技術(shù)的全部性能，未來5G大規(guī)模MIMO設(shè)計要首先攻克下這一難題。

對于天線振子的數(shù)目，傳統(tǒng)MIMO的天線陣元數(shù)一般不超過8個，而未來大規(guī)模MIMO天線的陣元數(shù)目將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過于此。由于在實(shí)際中天線的體積不可能無限制增加。因此，5G大規(guī)模MIMO天線設(shè)計的另一要點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)天線小型化。所幸的是，5G將更多的采用高頻段的載波進(jìn)行通信，這樣就有利于收發(fā)反饋系統(tǒng)的小型化、集成化以及振子數(shù)目的大規(guī)模化。

與其說天線有源化是大規(guī)模MIMO天線的要求，不如說有源化是大規(guī)模MIMO天線主動適應(yīng)發(fā)展趨勢的結(jié)果。有源集成天線是有有源輻射功放集成電路與天線振子等輻射單元集成在一起形成的。傳統(tǒng)的MIMO天線振子數(shù)量較小，天線結(jié)構(gòu)簡單，引入有源天線陣列不是必要的。但是對于大規(guī)模MIMO天線，有源天線陣列可以省去復(fù)雜的功率分配網(wǎng)絡(luò)，減少額外的功率損耗，降低輻射單元的輸出功率。由于有源天線陣列可直接在反饋部分實(shí)現(xiàn)電磁波的產(chǎn)生、變換、發(fā)射和接收等系統(tǒng)功能，天線不僅是輻射單元，還是有源電路的組成部分，雙方不再是簡單的級聯(lián)，而是互為對方的電路部分。這就減少了中間元器件，減少了饋線連接和連接節(jié)點(diǎn)，使得在設(shè)計方面天線和有源電路是一個有機(jī)整體，更加便于維護(hù)、管理和優(yōu)化。

四、MIMO在高速鐵路中的應(yīng)用

在高速鐵路移動通信場景下，由于列車大部分時間都行駛在距離基站很遠(yuǎn)的地方，天線間經(jīng)歷的信道衰落也很相近。所以空間分集效果對于這種強(qiáng)相關(guān)的信道并不顯著。在高速鐵路場景下，列車的高速移動會使通信信道的變化很快，發(fā)送端無論是測量上行信號，還是接收端反饋獲取信道信息都會造成較大的時延。當(dāng)列車在距離基站較近路段運(yùn)行時，基站與列車通信終端間的方位角變化又會非?？?，所以基于方位角進(jìn)行波束覆蓋調(diào)整的DOA-BF技術(shù)可以充分利用這種通信場景的特性來形成高速鐵路通信場景中的MIMO方案。

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