大规模MIMO技术特点及5G场景应用

1、大规模MIMO技术特点及5G场景应用作者：徐海来源：中国新通信2018年第16期徐海辽宁邮电规划设计院有限公司【摘要】随着5G时代的来临，通信要求向着大容量、高速率、低时延等多个方向发展， 相关技术也不断演进和完善。MIMO技术作为4G时代开始应用的天线收发技术，在5G时代发 挥出更佳优越的性能，大规模MIMO技术更成为无线网络覆盖和系统容量提升的重要手段。本 文重点介绍大规模MIMO的技术特点，以及在5G时代特定场景的应用。【关键词】 大规模MIMO MIMO 5G一、概述MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线 和接

2、收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充 分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下， 可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。大规模MIMO则在传统MIMO的基础上，将天线数量进行扩增，利用大规模多天线系统， 实现了三维波束复兴和多流多用户资源复用，大幅提升系统容量和立体覆盖的同时，降低干扰。 作为5G通信系统的关键技术之一，可以有效提升系统容量、提高频率复用效率、降低网络干 扰。二、大规模MIMO的技术特点随着5G时代的来临，无线频率资源越发紧张，通信频段越来越向高频率迁移。目

3、前工信 部为我国5G技术研发试验规划了以下4个频段：3.3-3.6GHz频段、4.8-5.0GHz频段、 24.75-27.5GHz频段和37-42.5GHz频段。高频信号绕射能力差，更趋向于直线传播，同时信 号衰减严重。另一方面，无线信号频率越高，天线尺寸相应越小，天线不再是庞然大物，即使 基站天线也可以做到尺寸很小，为大规模MIMO天线阵列提供了先决条件。2.1多流空分复用技术在传统天馈系统中，由于天线数少，无线信号受外界影响因素多，如衰减、噪声、同频干 扰等，致使信道随机性强，体现出各自信道的独特性。当通过增加基站端天线数量，可以通过 大数定理、中心极限定理等应用，将影响信道的随机因数排

4、除，使得原本随机的信道矩阵，变 得关联性强，存在一定的确定性，通过分解计算，可以实现运算复杂度的降低，使得频谱效率 随着收发端天线数呈线性增长，有效的提高了频谱效率。其次结合信号调制技术，使得多用户间信号正交，降低用户间干扰，使得单小区内天线可 对多用户同时进行数据传输而不互相干扰。即在同一时隙同一频率上，对多用户进行数据传输， 相当于扩展了时域和频域，在本小区内实现了频率复用，提升了系统容量也提高了频谱利用效 率。例如64MIMO天线可实现在同一时隙下，对32个用户进行2X2MIMO的数据传输。2.2多流用户波束赋形多流用户波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术，利用无线电波的干涉和叠加

5、原 理，通过对信号加权，调整各天线阵子的发射功率和相位，来改变波束形状，产生具有指向性 的无线信号波束，使期主瓣对准需覆盖目标用户，从而能够获得区别与无赋形信号明显的阵列 增益，提高相应信号强度。波束赋形技术多用于SDMA系统，且同一时隙下仅能对单一用户进行赋形覆盖。而在5G 时代，因大规模MIMO天线和其空分复用技术的应用，使得多流用户波束赋形成为可能，可以 成倍提高多用户的覆盖效果和流量速率。2.3三维波束赋形三维波束赋形区别于传统波束赋形的是，当改变天线阵列布局，不再仅水平方向布置天线 阵列时，可将调制的窄波束在水平方向和垂直方向上都能随着目标用户的位置进行调整，主瓣 方向始终对准目标用

6、户，从而使目标用户获得更高的SINR值，改善了传统波束赋形仅能在水 平方向上跟踪目标用户的缺点。三维波束赋形可以有效应对城市区域用户高度差大，分布多维立体的场景，更能有效的解 决高楼深度覆盖场景。2.4空间调制技术空间调制技术是一种新的MIMO技术，将大规模MIMO天线阵列的每根天线进行编号，将 其编号作为发送数据的一部分进行发送，以便节省数据发送量，即发送信号通过对应信号星座 图与天线位置星座图，将传统二纬映射扩展至三维映射，通过空间复用，提高数据速率和频谱 效率。该调制方法利用简单的调制和编码机制就能实现低复杂度的收发信机设计和高效的频谱 效率，具有较低的实现复杂度，又不降低系统性能。三、

7、大规模MIMO与传统MIMO对比大规模MIMO与传统MIMO相比有以下优势和不足。3.1提高频谱利用率大规模MIMO利用高频段无线信号集中性好，结合信号调制技术，使得各阵子发射信号正 交，减少系统干扰，实现了空分复用技术，从而提高了频谱利用效率。而传统MIMO多用于4G 通信系统，所在频段集中性差，无法实现空分复用，加之信道干扰随机性大，无法实现线性 分析，预编码技术复杂，不利于提高频谱利用率。3.2提高系统容量传统MIMO在原有空间分集的基础上增加信号发射流数量，从而提高传输速率，提高信号 增益，但并无法提高系统容量。基站系统容量仍受限于通信制式的内在资源数量和频谱宽度。 而大规模MIMO在

8、此基础上利用空分复用技术，在小区级别提高频谱利用率，有效增加了同一 时隙内的同时通信的用户数量，从而提升系统容量。3.3波速赋形和三维追踪传统MIMO几乎无波束赋形功能，该功能仅用于SCDMA制式系统，且仅 针对水平范围内的用户移动和追踪，对高楼林立的密集区域覆盖十分乏力，无法体现出其原有 的优势。大规模MIMO则可有效利用天线阵列，在垂直和水平方向均能做到波束赋形和用户追 踪，单扇区即可做到分层覆盖，有效解决高、低层建筑的深层覆盖需求。3.4提高传输速率传统MIMO仅靠增加并发数据流数量来提升数据流量，而大规模MIMO在提升并发数量的 同时，还可以依靠波束赋形和三维追踪改善信道质量，进一步提

9、升数据流量。并且可以依据用 户终端性能和申请的业务类型，自行调整分配收发天线数量，既保证了各类用户的速率需求， 也进一步灵活的分配了现有资源。3.5系统复杂大规模MIMO天线阵列中天线数量庞大，且为了做到高性能的覆盖技术，需要为天线提供 阵子自动调整系统，同时信道状态信息获取和信道模型分析计算更加复杂。相比传统MIMO，天 馈系统复杂，信道解析与计算量大，需要单独的处理单元。所以大规模MIMO无法单独部署， 需要与主设备进行整合，形成天线一体化RRU。3.6天线尺寸和功耗较大大规模MIMO天线阵列物理尺寸相比传统MIMO天线要大，主要体现在天线宽度较宽，重 量大，且与主设备整合后更不利于隐蔽建

10、设。同时作为有源设备，会增加基站的整体功耗。四、5G时代的场景应用ITU未IMT2020提出了三类应用情况及相关要求，即增强型宽带接入（eMBB）、超可靠性 与超低时延业务（uRLLC）和海量连接的物联网业务（mMTC）。在5G部署前期，无线网络需要 面对复杂的无线环境和多种制式网络共存的情况，对于eMBB业务需求集中的城区区域，无线 环境更加复杂，建筑物密集，高度差距大，多网络多制式重复覆盖，频率资源紧张，用户密集 且流量需求大、对数据速率敏感，易出现超密集用户情况。以上情况对网络覆盖和基站建设提 出了更加严峻的考验，大规模MIMO天线的应用可以有效的应对和解决城市区域繁杂的网络覆 盖需求。

11、4.1高负荷区域城区流量热点区域、高校校园等场景多为高负荷区域，该区域内用户流量需求大、对数据 速率和覆盖质量感知敏感，需要在保证覆盖的前提下尽量提升系统容量，满足市场容量需求。 如采用传统容量扩容方式将增加基站数量和相应系统带宽，将进一步加紧原本已经十分紧张的 频率资源和无线环境的复杂程度，为网络优化提出更佳严苛的要求。采用大规模MIMO天线系统，将减少基站建设数量，减轻运营商建设成本和运营成本，同 时提高频率资源利用率，简化网络优化难度。4.2高楼层区域城市发展过程中，城市建筑高度越发提升，同时出现落差较大的居民小区、CBD区域和商 业写字楼区域，该场景区域覆盖范围不再是水平方向的，在满足

12、路面覆盖、低层商业区的用户 覆盖需求同时，还需兼顾高层楼宇中用户的覆盖需求。传统的建设方式主要采用分层网络建设， 室内外覆盖相结合进行解决。室外宏基站进行广覆盖，解决路面和楼宇中下层区域的覆盖，低 层微基站进一步解决低层区域的深度覆盖，室内分布系统解决高层楼宇和楼宇内部的用户覆盖。 建设基站数量大，物业协调困难，并且写字楼内室内分布系统建设困难，难以实际解决楼宇内 室内的覆盖需求，多为楼道覆盖，覆盖能力有限。大规模MIMO天线阵列，利用三维波束赋形和用户追踪，可以有效兼顾高、中、低层楼宇 内用户覆盖需求。加上自适应调节单用户MIMO天线数量，可加大覆盖有效增益，解决楼宇内 部的覆盖，减少了建设

13、难度和覆盖方案复杂度，便于快速实施，迅速部署，减少施工周期和建 设、维护投资。4.3高干扰区域5G网络部署初期为节省建设投资，缩短建设周期，会优先选用已有的物理站址进行快速部 署。但由于频段和网络制式不同，会造成覆盖范围和方向不同，形成网络边缘区域覆盖空洞。 对于无线环境复杂，用户密集的区域，其覆盖边缘区域由于无线信号干扰而造成覆盖缩减。为 解决该区域覆盖，传统做法是提升一方基站覆盖功率或新建基站来主导该区域的信号强度。这 样不但会增加建设成本，还会增加网络优化压力，加剧频率资源复用紧张度。大规模MIMO天线具备精准的用户波束赋形和追踪，可以有效提升覆盖边缘的用户信噪比， 控制干扰，提升用户体验。不但节省网络建设投资，还简化网优压力。4.4上行受限区域对于大型演唱会、赛事场地和热门活动区域等区域，用户更加密集，在容量受限的之前， 更加容易出现上行信号受限。在应对该类突发事件时，除传统增加网络容量和应急基站建设外， 也可采用大规模MIMO天线，有效提