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【中年|MIMO及大规模MIMO的技术原理与应用】
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铁哥
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本期目录
1
MIMO的技术原理
2
MIMO技术的应用
3
大规模MIMO的技术原理
4
大规模MIMO技术的应用

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MIMO的技术原理

MIMO ，即多入多出（Multiple-Input Multiple-Output），是指在无线通信系统的发射端和接收端同时使用多个天线的通信技术。如图1所示。

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图1 MIMO系统

MIMO技术最早由无线通信技术的鼻祖马可尼（Marconi）于1908年提出。他认为可以通过在发射设备和接收设备布置多个天线来抑制信道衰落，从而提升无线通信系统的质量。

上个世纪90年代， Bell实验室的学者对MIMO技术的进一步发展做出了巨大的贡献。 1995年Telatar计算出了在衰落情况下的MIMO容量， 1996年Foshinia研究成功D-BLAST（Diagonal Bell Labs Layered Space-Time)算法， 1998年Tarokh等研究成功用于MIMO系统的空时码， 1998年Wolniansky等人采用V-BLAST（Vertical Bell Labs Layered Space-Time）算法建立了一个MIMO实验系统，在室内试验中达到了20bit/s/Hz以上的频谱利用率。
MIMO技术对通信系统性能的改善主要体现在以下几个方面：
（1）提高系统容量
对于发射天线数为N ，接收天线数为M的MIMO系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，当N、M很大时，则信道容量C近似为：
C=[min(M,N)]Blog2(1+S/N)
其中B为信道带宽， S/N为接收端平均信噪比。
上式表明，当接收信噪比和信道带宽一定时， MIMO系统的容量随发射天线个数和接收天线个数中最小值的增加而线性增加。
（2）对抗多径衰落
MIMO系统存在多个不相关信道，可以起到空间分集的作用，从而有效地对抗多径衰落。
（3）减少系统内干扰
MIMO系统可以形成指向性波束，从而降低基站之间的干扰和用户间干扰。
（4）提高系统可靠性
多信道的存在，使得系统可靠性增加。

MIMO技术主要有三种实现方式：
（1）空间复用（Spatial Multiplexing）：系统将数据分割成多份，分别在发射端的多根天线上发射出去，接收端接收到多个数据的混合信号后，利用不同空间信道间独立的衰落特性，区分出这些并行的数据流。从而达到在相同的频率资源内获取更高数据速率的目的。
图2 MIMO系统——空分复用
（2）传输分集技术：以空时编码（Space Time Coding）为代表。在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率。空时编码通过在发射端增加信号的冗余度，使信号在接收端获得分集增益。
图3 使用空时编码的MIMO系统
（3）波束成型（Beam Forming）：系统通过多根天线产生一个具有指向性的波束，将信号能量集中在欲传输的方向，从而提升信号质量，并减少对其他用户的干扰。

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图4 MIMO系统——波束成型

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MIMO技术的应用

MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带接入系统中，802.11n和802.11ac等标准都采用了MIMO技术。在蜂窝移动通信系统方面，3GPP最早在3G WCDMA HSPA+标准中引入了MIMO技术（2T2R ，二根发射天线，二根接收天线）；在B3G网络（LTE）中，最高支持4T4R MIMO技术；在4G网络（LTE-A）中，最高支持8T8R MIMO技术。
在LTE系统中，共定义了9种无线下行传输模式（TM1-TM9）。如下表所示。
表1LTE系统的无线下行传输模式

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大规模MIMO的技术原理

所谓大规模MIMO ，是指天线根数达到数十根或数百根以上的MIMO系统。普通MIMO系统的天线数量一般是4根（2T2R）、8根（4T4R）或16根（8T8R），而大规模MIMO系统的天线可达64T64R、128128R ，甚至256T256R 。
普通MIMO系统的天线一般只在水平方向排列，而大规模MIMO系统的天线则在水平和垂直两个方向排列，形成一个平面。如图5所示。
图5-1 普通MIMO系统的天线排列

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图5-2 大规模MIMO系统的天线排列

我们知道，天线的尺寸一般是波长的1/2或1/4 ，而MIMO系统的天线之间的间距一般要求不小于半波长，因此，大规模MIMO技术更适合在高频段的通信系统中使用。如频段太低，会导致天线尺寸太大，以致难以进行工程实施。
相对于普通MIMO技术，大规模MIMO带来如下好处：
（1）信道容量大幅增加。
如前所述，当接收信噪比和信道带宽一定时， MIMO系统的容量随发射天线个数和接收天线个数中最小值的增加而线性增加。因此，大规模MIMO技术的使用，必然会大大提高信道容量。当然，在实际的系统中，由于各方面复杂因素的影响，会导致容量增加的幅度小于理论值。
图6是针对16通道、32通道、64通道和128通道大规模MIMO系统性能的仿真对比结果。
图6：不同通道数的大规模MIMO系统性能对比
（引自网络文献）
根据中国移动研究院给出的数据，在实际5G系统中，大规模MIMO技术对容量的提升效果如下：
表2 大规模MIMO技术对5G小区容量的提升
（2）波束更窄，能量效率更高，系统内干扰更低。

由于普通的MIMO技术天线数量较少，故其波束较宽；而大规模MIMO技术由于其天线数量较多，故其波束较窄，使得能量更集中于有效的空间内，小区间和用户间的干扰更小。

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图7 MIMO和大规模MIMO的波束宽度对比

（3）可实现三维波束赋形。
普通的MIMO技术只能在水平方向集中能量和调整波束指向，无法将垂直方向的能量集中于用户终端。而大规模MIMO技术由于其天线分布在水平和垂直两个方向，故其波束方向可以在水平和垂直两个方向调整，形成3D波束，因而大规模MIMO又称为3D-MIMO 。
在高层楼宇较多的地区，大量的用户分布于不同高度的楼层，大规模MIMO这种在垂直方向调整波束指向的特点可以得到充分的利用，使得网络对楼宇内用户的覆盖质量得以加强。
图8 大规模MIMO可实现3D波束赋形，利于楼宇覆盖
大规模MIMO技术虽然有诸多的优点，但也有一些不足之处：
（1）算法复杂度大大提高。
由于天线数量庞大和小区内用户数量的增加，使得准确获取信道信息的难度大大增加，需要更为复杂的算法来实现下行波束赋形。

为了实现最佳的波束赋形，基站需要不断地获取信道的相关信息。在FDD系统中，这就需要为下行链路参考信号分配大量的资源，使得基站可以及时从用户终端获取下行信道的质量报告。
在TDD系统中，由于上下行使用同样的频点，上下行信道具有互易性，所以基站可以通过测量上行信道的质量，来获取相关的信息用于下行信道赋形， MIMO的实现简单了许多。
因此，目前大规模MIMO大都用于TDD系统。
（2）天线数量的增加导致天线与基站之间的馈线数量大大增加。
馈线数量的增加使得基站的工程实施难度增大。为了解决这一问题，在大规模MIMO系统中，需要将基站的射频部分与天线集成，不再使用馈线。

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大规模MIMO技术的应用

作为一种有效提高信道容量的手段，大规模MIMO技术已经在4G和5G网络中得到了应用。
随着4G网络的发展，网络的数据流量不断上升。特别是在一些热点地区，既有的4G基站容量难以满足业务需求。因此， 3GPP在3GPP R13中引入了大规模MIMO技术，支持水平和垂直方向的波束赋形，称之为FD-MIMO（Full Dimension MIMO）。

2016年，中国移动开始在4G网络中开展大规模MIMO的试验，并取得了较好的效果。 2017年开始在4G现网部署大规模MIMO技术。
根据在4G网络的测试结果，当用户越多、网络负荷越重时，大规模MIMO对基站容量提升的效果越明显。

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图9：大规模MIMO对4G现网基站吞吐量的提升

（资料来源于网络）
在5G网络中引入大规模MIMO技术，除了提高信道容量的原因外，还有另外一个重要的因素，就是加强5G基站的覆盖能力。
我们知道， 5G的工作频段较高，随着无线频率的提高，路径损耗相应增大，对于建筑物的穿透损耗也加大。并且，当频率超过10GHz后，无线电波的绕射能力大大减弱。这些特点导致5G基站的覆盖半径大大缩短。
与此同时，高频段也带来一个优势，就是天线尺寸大大缩小，因而可以在一个较小的空间里，集成较多数量的天线，这非常利于大规模MIMO系统的实现。而大规模MIMO系统可以生成高增益的窄波束，能在一定程度上弥补5G基站覆盖能力弱的缺点。因此，在5G系统中引入大规模MIMO技术成为一种理所当然的选择。

在5G网络中，大规模MIMO的通道数可达到256通道。为了提高系统的鲁棒性， 3GPP R15同时支持大规模MIMO的开环传输和闭环传输方式。在信道信息获取方面， R15支持2种CSI（Channel State Information）反馈方式：Type I和Type II 。 Type I反馈是利用波束选择原理， Type II反馈是利用波束组合原理，其性能增益比Type I大，但反馈开销明显增加。
在5G网络中，大规模MIMO系统产生的波束更窄、精确度更高，这一特性带来高增益和低干扰的同时，也对波束的管理提出了更高的要求。在R15中，将波束管理过程分为波束训练和波束追踪，分别在终端的初始接入阶段和数据传输阶段对波束进行赋形和追踪管理。
3GPP R15基本完成了5G NR对大规模MIMO要求的内容，在后续的R16还将进行进一步的完善和增强，以提高系统性能、降低时延和开销。

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