大规模MIMO天线应用中的优势与挑战

天线是无线传输中至关重要的一环，负责无线信号的发送与接受。为了信号传输的有效性与可靠性，人们自然就会想到在天线上做功夫。尤其是5G技术兴起以来，massive MIMO成为了5G技术中的核心技术之一。

MIMO（multi-input multi-output）天线出现已久。由于单输入单输出天线（SISO）覆盖面积窄、传输可靠性低与传输数据量小的问题，人们想到了利用多个天线进行信号收发。

（复制粘贴自踏乡墨客：https://blog.csdn.net/weixin_41008284/article/details/108896591）

首先，通过MIMO技术可以实现传输分集。如下图所示，多个天线收发同一份数据，如果一个信道出现了阻碍或干扰，仍然可以通过其他信道接收到数据。

其次，MIMO天线可以实现空间复用。如下图所示，它可以通过不同天线同时传输与接受多份数据，从而提高数据传输效率。

然而MIMO技术长久以来停留在2天线、4天线、8天线的规模，在5G通信急需大规模数据传输的背景下，massive MIMO技术进入了人们的视野。

massive MIMO常由一百多个天线组成，它拥有许多优势：

第一点，massive MIMO可以成百倍地提高所发送信号的能量。massive MIMO通常由一百多个天线组成，这个庞大的天线系统可以完成波束赋形：通过控制每一个天线单元所发射信号的相位和信号幅度，通过对多个天线单元进行调节，产生具有指向性的波束。这样一来，可以使无线信号能量在手机位置形成电磁波的叠加，从而提高接收信号强度。

波束赋型让波束的能量向指定的方向集中，不仅可以增强覆盖距离，还可以降低相邻波束间的干扰，让更多的用户可以同时通信，提升小区容量。也就是说，它将分集和复用的优点集于一身。

由下图可知，massive MIMO系统比SISO、SIMO与MISO的能量效率高，随着频谱拓宽，能量效率下降更慢，尤其是采用迫零预处理方式时。在MRC（最大比合并）方式中，窄带信号传输更具优势。

第二点，massive MIMO可以降低天线设备的成本。由于天线规模巨大，每个天线的表现就没那么重要了，重要的是整体的表现，因此每一个天线的放大器和射频链的精度和线性度的限制放宽，设备价格降低。

其次，众多的天线让天线系统具有较高的自由度，比如当有100个天线，而只有20个用户，就有180个自由度，此时硬件的限制也就放宽了。

最后，当发送功率不变，天线数量增加，单个天线所需的能量就减少，只需要小型放大器，并且这种毫瓦级别的能量可以通过风能与太阳能供电，对电网的依赖性减少，因此就可以将天线建在偏远地区。

第三点，massive MIMO可以显著减小信号传输延迟。传输延迟主要来自于多径效应，当信号经过多条路径来到终端，它们的相位与幅度各不相同，叠加以后可能相互抵消，信号变得十分小，终端只能等到这个衰落时段过去再进行接收，此时就产生了传输时延。而massive MIMO根据大数定理和波束赋形的原理可以避免深度衰落。

第四点，massive MIMO可以避免恶意信号干扰。由于频谱资源紧张，频谱重叠几率很大，此时恶意干扰与窃取信号就十分容易。2001年，在瑞典哥德堡举行的欧盟峰会上，示威者使用了位于附近公寓的干扰器，在暴动中，首席指挥官无法联系到700个安保人员中任何一个。而massive MIMO提供了较高的自由度，可以抵消干扰信号。（？）

另外，massive MIMO的应用也面临着许多问题：

第一点便是导频污染，为了实现信道估计需要发送导频。在上行线路，终端发送导频，基站接收到导频信号后对信道状态有了一定评估，并将评估结果发送至终端，终端根据此评估合理发送数据。由于massive MIMO有上百个天线，需要上百个正交的导频信号，若导频之间不正交，存在相关性，基站收到的导频便是多个信道信息的叠加，此时的信道评估便不准确。

第二点，massive MIMO一般采用TDD模式，由于TDD模式下的信道互易性（上下行链路在相同的频率上进行传输，当上下行的发送时间间隔足够短时，可认为上行信道与下行信道的衰落基本相同），上行信道的评估信息可直接用于下行信道。然而发送端与接收到端的硬件设备不尽相同，会破坏信道互易性。此时需要采用FDD模式下的导频发送方式，上下链路都需要进行信道评估，导频数量翻倍，硬件设备复杂度显著提升。

（复试粘贴自月半月半：Chpater 5 大规模MIMO信道估计与导频设计_月半月半的博客-CSDN博客_mimo信道估计）

第三点是信道响应的正交性。若想要在massive MIMO天线系统中信号良好传播，需要实现favorable propagation，也就是说基站到不同终端的传播信道显著不同（正交）。在文献Massive MIMO for Next Generation Wireless System中，隆德大学做了实验，对比天线阵列的排列与天线数量对传输信道区分度的影响。如下如所示，横坐标是信道矩阵的奇异值，纵坐标是cumulative density function, 线性排列比圆形排列区分度大，天线数越多，信道区分度越大。因此可以判断，通过改变天线排列和天线数量可以实现不同传输信道响应正交，达到信道良好传播条件（favorable propagation）。

（摘自Erik G. Larsson, ISY, Linköping University, Sweden

Ove Edfors and Fredrik Tufvesson, Lund University, Sweden

Thomas L. Marzetta, Bell Labs, Alcatel-Lucent, United States：

Massive MIMO for Next Generation Wireless System）

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