浅谈5G大规模天线技术与应用
发布时间：2022-10-25 13:33:51 所属栏目：移动 来源：
导读： 摘要
作为5G系统核心新技术，大规模MIMO技术凭借其高频谱利用率、高系统吞吐率和强抗干扰性能等优势，被确定为5G标准与系统必选技术。本文简要分析了大规模MIMO基本原理、核心技术、工作过程、性能优势和
作为5G系统核心新技术，大规模MIMO技术凭借其高频谱利用率、高系统吞吐率和强抗干扰性能等优势，被确定为5G标准与系统必选技术。本文简要分析了大规模MIMO基本原理、核心技术、工作过程、性能优势和
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摘要 作为5G系统核心新技术，大规模MIMO技术凭借其高频谱利用率、高系统吞吐率和强抗干扰性能等优势，被确定为5G标准与系统必选技术。本文简要分析了大规模MIMO基本原理、核心技术、工作过程、性能优势和技术难点，介绍了5G网络中大规模MIMO应用部署方式、产品研发现状、网络测试结果以及商用化过程中急需解决的问题。 关键词 5G；Massive MIMO；波束赋形；空间复用； 1 引言 未来5G通信网络将是一个多网络、多频段、多制式的混合通信网络，大规模MIMO技术是必受关注和值得研究的。5G系统对性能提出了极高的要求，既有两个数量级以上数据速率提升上要求，更有对系统能量效率、频谱效率、可靠性以及性价比明显提升的需求。5G系统为了满足更高的峰值速率、低时延、高系统吞吐率、移动性的需求，提出了异构网、多网互联、绿色基站等新概念。而大规模MIMO技术利用额外的天线把能量集中在更小的空间区域，带来吞吐量和辐射能量效率的大幅提升，以及更低的时延和更好的鲁棒性，但相比于4G系统MIMO技术，5G大规模MIMO将面临许多新的技术难题，下面就5G大规模天线研发应用情况做些简单分析。 2 大规模天线基本原理 大规模MIMO天线的理论基础是： （1）当基站侧天线数远大于用户天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交。 （2）用户间干扰将趋于消失，而巨大的阵列增益将能够有效地提升每个用户的信噪比，从而能够在相同的时频资源共同调度更多用户。 具体来说，大规模MIMO技术依赖于基站侧所有天线的相位相干和计算简化的信号处理。相比4G系统MIMO，5G大规模MIMO可以提升至少10倍的信道容量，同时可以提高近100倍的辐射能量效率。容量的提升得益于大规模MIMO的高效空分复用。由于采用了大量的天线阵元，辐射能量根据波的相干叠加特性，高度集中在一个空间内的很小区域，使得辐射能量效率大幅提升。通过对发射信号的“赋形”，基站端可以确保所有的波前端叠加后共同辐射到期望终端，而不是无目的（随机）地辐射到其它地方。如图1所示，大规模MIMO提供了更强的定向能力和赋形能力，这种能力既能增加了系统容量，又能增强小区覆盖和网络的抗干扰能。 在大规模MIMO系统中，基站配置大量的天线数目通常有几十、几百甚至几千根，是现有MIMO系统天线数目的1~2个数量级以上，而基站所服务的用户设备（UserEquipment，UE）数目远少于基站天线数目；基站利用同一个时频资源同时服务若干个UE，充分发掘系统的空间自由度。从而增强了基站同时接收和发送多路不同信号的能力，大大提高了频谱利用率、数据传输的稳定性和可靠性。图2所示，大规模MIMO天线在空间形成很多通道，如果对这些空间信道进行科学合理的处理与应用，就可以利用相同的时频资源同时传输多路甚至上百路的数据，从而极大的提高了小区吞吐量和资源利用率。 大规模MIMO天线信道容量的本质就等效于多个正交并行子信道，因此大规模MIMO天线主要就是对空间信道进行分析处理。根据信道处理得到大规模MIMO天线容量： 大规模MIMO天线空间信道经过信道处理信号处理后，分别会得到如图4所示的大规模MIMO天线的阵列增益、抗衰落的分集增益、抗干扰的赋形增益和提升容量的空间复用增益。 3 大规模天线核心技术 大规模MIMO的目的是要在传统MIMO优势的基础上获得更大规模的增益， 因此大规模MIMO极大依赖于空分复用，要求基站端有良好的上行与下行信道信息。对于上行而言，通过获取基站发射的导频，基站可以很好地对每个终端进行信道响应估计，而对于下行而言却很难。因此，大规模MIMO天线应用的核心技术主要包括如下几个方面： 由于大规模MIMO天线核心技术原理复杂，内容太多，在此不做详细分析。 4 大规模天线具有优势 大规模天线阵列能够带来的好处包括： （1）大规模MIMO 的空间分辨率与现有MIMO 相比显著增强，能深度挖掘空间维度资源，使得网络中的多个用户可以在同一时频资源上利用大规模MIMO 提供的空间自由度与基站同时进行通信，从而在不提高基站站点密度的条件下能够提高频谱效率，提高功率效率；天线数目增多能够平滑信道响应，降低小尺度信道的随机变化； （2）基站和终端之间准正交的信道特性，使得在相同资源上的终端间的信道具备良好的正交特性； （3）大规模MIMO提供了减少空口时延的可能；移动通信系统的性能普遍受到衰落的制约，衰落使得接收端接收的信号强度在某些时候很弱。当信号由基站端发射出去，在接收端接收前历经多径环境而产生衰落，信号受到多径破坏性的干扰。正是因为衰落特性才促使建立一个低延迟的无线链路。5G发展重点在于不同网络的兼容与融合，低的空口时延提供了数据传输与信令控制的良好链路环境。 （4）大规模MIMO简化了多址接入层的结构。因为当天线数量足够大时，根据于大数定律，信道响应趋于稳定，以至于频域调度的贡献不再明显。最简单的线性预编码和线性检测器趋于最优， 并且噪声和不相关干扰都可忽略不计； （5）大规模MIMO 可将波束集中在很窄的范围内， 从而大幅度降低干扰，提升了针对无目的性人为干扰以及蓄意干扰的鲁棒性； （6）大规模MIMO 建立的“绿色”基站很好地满足了5G系统对于能源效率、辐射效率的需求； 5 大规模天线技术难点 大规模MIMO技术，显著提高频谱效率，降低发射功率，实现绿色节能，提升覆盖能力，但如今大规模MIMO仍旧面临一些问题，如大规模天线信道测量与建模、阵列设计与校准、导频信道、码本及反馈机制、天线的规模尺寸、实际工程安装和使用场景等问题，对这些问题的探讨和成果会成为未来5G的重要发展方向。 由于理论建模和实测模型工作较少，还没有被广泛认可的信道模型；且需要利用信道互易性减少信道状态信息获取的开销， 目前的传输方案大都假设采用TDD 系统，用户都是单天线的， 并且其数量远小于基站天线数量，导频数量随用户数量线性增加，开销较大，信号检测和预编码都需要高维矩阵运算，复杂度高，并且由于需要利用上下行信道的互易性，难以适应高速移动场景和FDD 系统；在分析信道容量及传输方案的性能时，大都假设独立同分布信道，从而认为导频污染是大规模MIMO 的瓶颈问题，使得分析结果存在明显的局限性等。 因此，为了充分挖掘大规模MIMO 的潜在技术优势，需要深入研究符合实际应用场景的信道模型，分析其对信道容量的影响，并在实际信道模型、适度的导频开销、可接受的实现复杂度下，分析其可达的频谱效率、功率效率，并研究最优的无线传输方法、信道信息获取方法、多用户共享空间无线资源的联合资源调配方法。以上这些方面都是目前大规模天线要解决的技术难题，也是大规模天线商用化的瓶颈。 6 请规模天线应用场景分析 图5给出了Massive MIMO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。 从部署方式看， Massive MIMO可以集中部署，也可以分布式部署，图6给出了两种部署方式示意图。集中部署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5g天线技术，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。 分布式部署主要是考虑到天线尺寸、安装等实际问题，重点需要考虑天线之间的协作机制及信令传输问题。分布式大规模天线就是把大规模天线分成若干个天线阵模块，每个模块化天线阵列可以分别部署，并进行集中处理，如图7所示。模块化分布式大规模天线能获得集中式大规模天线的性能优势，同时极大的简化部署、减轻天线重量、降低天线安装维护难度，实现天线按场景组合，降低天线检测难度等优势。当模块化分布式大规模天线与虚拟扇区化传输技术相结合，相比于集中式大规模天线能进一步获得性能增益。 7 大规模天线产品介绍 图8和图9分别给出了试验网中使用大规模MIMO天线产品情况，包括产品的性能、指标、设计要求和实际组网应用。 8 大规模天线测试情况 从图10、图11和图12可以看出，大规模MIMO天线在提高系统容量、边缘用户吞吐量和系统数据传输速率都有明显的优势，而且，随着天线阵列的增加，这种优势更加突出。 作为5G核心技术，虽然现阶段大规模MIMO天线的性能初步得到验证，但大规模天线小型化，集成化，灵活性、电调谐和美化是商用化发展的客观要求，随着天线数目的增多，有源集成化天线将是5G大规模天线系统的必然选择。大规模有源天线系统在增加系统容量的同时，必须考虑降低研发成本、安装难度、维护成本和能源成本，这样才能达到大规模天线的商用化目标。 （编辑：草根网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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