大规模MIMO天线技术

一、什么是大规模MIMO天线技术

理解大规模天线首先需要了解波束成形技术。传统通信方式是基站与手机间单天线到单天线的电磁波传播，而在波束成形技术中，基站端拥有多根天线，可以自动调节各个天线发射信号的相位，使其在手机接收点形成电磁波的叠加，从而达到提高接收信号强度的目的。

从基站方面看，这种利用数字信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线方向图的构造，因此称为“波束成形”。通过这一技术，发射能量可以汇集到用户所在位置，而不向其他方向扩散，并且基站可以通过监测用户的信号，对其进行实时跟踪，使最佳发射方向跟随用户的移动，保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。

这是传统天线和大规模MIMO覆盖对比图。普通全向天线，覆盖所有区域波速成形后的天线，将能量集中到一个方向。在实际应用中，多天线的基站也可以同时瞄准多个用户，构造朝向多个目标客户的不同波束，并有效减小各个波束之间的干扰。这种多用户的波束成形在空间上有效地分离了不同用户间的电磁波，是大规模天线的基础所在。

二、大规模MIMO天线的优点

（１）提升频谱效率。根据大数定律，当基站天线数目持续增加到无穷大时，不同用户的信道呈现渐近正交性，该特性称为有利信道条件。理论上，用户间干扰可以完全被消除，噪声也随天线增加到无穷而趋于消失。同时，大规模MIMO的空间分辨率显著提高，极高的空间自由度可以满足多个用户在同一时频资源上同时通信。以上因素都能大幅度提高系统频谱效率；

（２）提升能量效率。大规模天线阵列的使用，提高了阵列増益，无论是上行发送还是下行发送都可以使用较小的发射功率达到较好的通信质量，从而使得系统能量效率提升几个数量级。

（３）简化上层用户调度。随机矩阵理论表明，随着基站天线数目的急剧增加，原来一些随机的信道特性开始变确定了，比如信道矩阵的奇异值分布趋于确定，信道矩阵趋于良性矩阵，该现象称为大规模MIMO的信道硬化效应。

（４）降低系统复杂度。大规模MIMO采用简单的线性预编码器，如最大比发送和迫零，就可以达到与最优的非线性预编码方案（如脏纸编码等）近似的性能，从而大大简化系统复杂度；

（５）降低系统部署成本。大规模MIMO极高的空间自由度，可以用于波束赋形，如果采用恒定包络调制信号，可以大幅降低发射信号峰均比，从而可以在射频前端采用低线性复杂度、低成本、低功耗的硬件设备，大幅降低部署成本；三、大规模MIMO的基本原理

大规模MIMO通过在基站侧采用大量天线来提升数据速率和链路可靠性。在采用大天线阵列的mMIMO系统中，信号可以在水平和垂直方向进行动态调整，因此能量能够更加准确地集中指向特定的UE，从而减少了小区间干扰，能够支持多个UE间的空间复用。采用大量收发信机(TRX)与多个天线阵列，可以将波束赋形与用户间的空间复用相结合，大力提升区域频谱效率。简而言之，大规模MIMO系统定义为：

大量收发信机(TRX)
空间复用特性
多用户调度(MU-MIMO)
上下行方向上的大量高增益天线阵列

四、大规模MIMO的系统架构

大规模MIMO的系统架构如图所示。

支持Massive MIMO的有源天线基站架构以三个主要功能模块为代表：射频收发单元阵列，射频分配网络和多天线阵列。射频收发单元阵列包含多个发射单元和接收单元。发射单元获得基带输入并提供射频发送输出，射频发送输出将通过射频分配网络分配到天线阵列，接收单元执行与发射单元操作相反的工作。

RDN将输出信号分配到相应天线路径和天线单元，并将天线的输入信号分配到相反的方向。天线阵列可包括各种实现和配置，如极化、空间分离等。射频收发单元阵列、射频分配网络和天线阵列的物理位置有可能不同于下图逻辑表示，取决于实现。

五、应用场景

天线集中配置的Massive MIMO主要应用场景有城区覆盖、无线回传、郊区覆盖、局部热点。其中城区覆盖分为宏覆盖和微覆盖（例如高层写字楼）两种。无线回传主要解决基站之间的数据传输问题，特别是宏站与Small Cell之间的数据传输问题，郊区覆盖主要解决偏远地区的无线传输问题，局部热点主要针对大型赛事、演唱会、商场、露天集会、交通枢纽等用户密度高的区域。

考虑到天线尺寸、安装等实际问题，分布式天线也有用武之地，重点需要考虑天线之间的协作机制及信令传输问题。大规模天线未来主要应用场景可以从室外宏覆盖、高层覆盖、室内覆盖这三种主要场景划分。

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