Massive MIMO關(guān)鍵技術(shù)及其在5G網(wǎng)絡(luò)性能提升中的運用

◆李曉靜 陳賀 楊東

Massive MIMO關(guān)鍵技術(shù)及其在5G網(wǎng)絡(luò)性能提升中的運用

◆李曉靜 陳賀 楊東

（黃河科技學(xué)院工學(xué)部 河南 450000）

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及各種新型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，社會對于數(shù)據(jù)傳輸速率的要求在逐漸提高。為了滿足數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，增加基站天線數(shù)目、構(gòu)建Massive MIMO系統(tǒng)就成為一種便捷、高效的方式。因此，本文就Massive MIMO關(guān)鍵技術(shù)進行分析，并且闡述其對于5G網(wǎng)絡(luò)性能提升的具體作用，希望可以滿足Massive MIMO技術(shù)的應(yīng)用需求。

Massive MIMO；5G；網(wǎng)絡(luò)性能

在5G網(wǎng)絡(luò)之中，Massive MIMO技術(shù)作為其關(guān)鍵所在，具有更大的系統(tǒng)容量、更高的平鋪利用率以及良好的抗多徑衰落性能等優(yōu)點，在網(wǎng)絡(luò)運行中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，對于Massive MIMO技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 Massive MIMO技術(shù)分析

Massive MIMO技術(shù)作為5G技術(shù)之一，在滿足5G的e MBB、u RLLC 和 m MTC業(yè)務(wù)上發(fā)揮了重要的作用。Massive MIMO主要是利用基站端來布置天線規(guī)模的天線陣，通過運用波束成形技術(shù)就可以構(gòu)建朝向多個目標(biāo)客戶的不同波束，以此來降低不同波束之間存在的干擾，充分挖掘空間資源。Massive MIMO實現(xiàn)了對稀缺的、寶貴的、有效的頻帶資源的利用，將網(wǎng)絡(luò)容量提升了幾十倍。

（1）多輸入多輸出系統(tǒng)

針對傳統(tǒng)的無線通信，接收端與發(fā)射端是單天線的形式，其被稱之為單輸入單輸出系統(tǒng)。但是Massive MIMO技術(shù)的出現(xiàn)將這一極限打破，實現(xiàn)系統(tǒng)信道容量的全面提升。其基本原理在于：無線通信的發(fā)射端和接收端，能夠利用多個發(fā)射天線與接收天線，通過對空間資源和電磁波的多徑傳播特性的利用，在頻譜資源和發(fā)射功率沒有增加的前提下可以通過信號處理技術(shù)以及無線傳輸技術(shù)，建立相應(yīng)的機制，這樣就可以獲取對應(yīng)的復(fù)用增益、分集增益、干擾對消增益以及陣列增益等，以此來提升5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實際覆蓋率和容量[1]。

假設(shè)有NTx根發(fā)射天線和NRx根接收天線，其對應(yīng)的Massive MIMO系統(tǒng)具體見圖1所示。

圖1 Massive MIMO系統(tǒng)示意圖

（2）波束賦形

針對Massive MIMO而言，波束賦形屬于其主要技術(shù)特點，通過不同路徑信號的加權(quán)合并，就可以實現(xiàn)對接收端信噪比的改善，在距離接收端較遠(yuǎn)的時候提升相應(yīng)的信號質(zhì)量。

（3）設(shè)備形態(tài)

為了滿足系統(tǒng)性能提升要求，提高用戶感知，針對5G無線基站，就可以考慮到基于Massive MIMO技術(shù)的大規(guī)模天線設(shè)備的使用，以此來支持天線陣列，最終實現(xiàn)對于用戶控件復(fù)用傳輸?shù)闹С?，實現(xiàn)5G系統(tǒng)頻譜效率數(shù)倍的提升[2]。

針對Massive MIMO設(shè)備，主要是通過每一個天線通道發(fā)射信號對應(yīng)的幅度與相位的控制，產(chǎn)生具有較強指向性的增強信號波束，這樣就可以實現(xiàn)對無線傳播損耗的補償，以此獲取賦形增益，滿足5G基站小區(qū)覆蓋的要求。對于Massive MIMO設(shè)備的TR數(shù)，其主要包含了64TR、32TR、16TR三種規(guī)格。對于更多的TR可以滿足3D MIMO的實現(xiàn)，并且基于陣列增益基礎(chǔ)將賦形的增益提高，最終提升室內(nèi)外覆蓋率。通過仿真結(jié)果來看，64TR設(shè)備的增益最為明顯，具體見圖2所示。

圖2 不同TR設(shè)備的signal level仿真

2 Massive MIMO助力5G網(wǎng)絡(luò)性能提升

針對Massive MIMO，主要是通過天線與射頻陣列格局的改變來實現(xiàn)其轉(zhuǎn)變。對于5G基站，其利用大規(guī)模的多天線技術(shù)，基于不同“維度”實現(xiàn)5G頻譜利用率的全面提升?？紤]到5G測試結(jié)果的實際情況，運用64通道的Massive MIMO技術(shù)成為最主流的選擇。一般來說，通道數(shù)越多，其伴隨而來的網(wǎng)絡(luò)性能就越高，但是針對3.5GHz頻段的天線產(chǎn)品，其本身是難以特別小型化的[3]。所以，基于成本、產(chǎn)品性能以及上站難度的考慮，針對3.5GHz頻段的商用5G基站，基本上都是選擇的64通道，針對不同的場景的對應(yīng)使用方案存在一定的差異，具體見圖3所示。

圖3 基于不同場景的Massive MIMO使用方案選擇

在3.5GHz頻段下，為了規(guī)范4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)的部署，5G基站與終端就需要更大的發(fā)射功率，這樣才能有效規(guī)避工作頻段不斷升高帶來的覆蓋損失。就目前的3GPP的標(biāo)準(zhǔn)進展情況分析來看，在3.5GHz的頻段下手機終端和基站本身的發(fā)射功率相對較高。就目前各個公司的具體產(chǎn)品和對應(yīng)的技術(shù)研究分析來看，在5G正式商用的時候，基站有可能在下行64通道工作，擁有100MHz帶寬的時候可以實現(xiàn)200W的發(fā)射功率，手機終端發(fā)射功率相對于4G時期預(yù)計也可以提升一倍，達(dá)到400mW。更大的發(fā)射功率可以將5G工作狀態(tài)下頻段升高導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)上下行覆蓋損失加以彌補[4]。

為了實現(xiàn)對上行覆蓋受限問題的有效彌補，5G直接利用全新的空口技術(shù)來實現(xiàn)覆蓋能力和網(wǎng)絡(luò)性能的全面提升。基于5G鏈路預(yù)算來分析，因為手機終端發(fā)射功率本身的限制，5G網(wǎng)絡(luò)的實際覆蓋范圍也會受到上行限制。當(dāng)宏基站部署在室外、用戶在室內(nèi)，無線信號就會穿越墻體，導(dǎo)致信號衰減，會縮小基站的實際覆蓋范圍[5]。在5G時代，一般約定當(dāng)終端上行速率降低到2Mbit/s就屬于小區(qū)的覆蓋邊緣。按照這一規(guī)定來分析鏈路預(yù)算，在3.5GHz的頻段中5G上行的實際覆蓋可以達(dá)到200m。如果考慮到目前還沒有完成標(biāo)準(zhǔn)化的5G全新幀結(jié)構(gòu)設(shè)計，上行的覆蓋距離預(yù)計會更遠(yuǎn)。

圖4 Massive MIMO的技術(shù)優(yōu)勢

就目前的標(biāo)準(zhǔn)實際進展情況以及對應(yīng)的測試分析進行判斷，基于Massive MIMO的5G基站，不僅可以通過更多無線信號流的復(fù)用來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量的提升，也可以利用波束賦形的方式來提升網(wǎng)絡(luò)的實際覆蓋能力。波束賦形技術(shù)主要是通過對于天線增益空間分布的調(diào)整，在發(fā)送的時候就可以將信號能量集中指向目標(biāo)終端，彌補在空間傳輸過程中信號出現(xiàn)的損耗，以此來提升網(wǎng)絡(luò)的實際覆蓋能力。

使用Massive MIMO技術(shù)，其本身的優(yōu)勢在于覆蓋與容量的提升，同時降低高頻建網(wǎng)的成本，具體見圖4所示。

目前，針對4G系統(tǒng)而言，因為工作頻段較低，所以很難在終端上實現(xiàn)天線數(shù)量的大幅度增加，會限制其終端峰值速率。通過空間復(fù)用、空間分集以及波速賦形等技術(shù)的合理使用，增強基站覆蓋、提升服務(wù)質(zhì)量、提高基站容量等各方面能力的挖掘就成為關(guān)鍵所在，使用Massive MIMO關(guān)鍵技術(shù)可以將這一系列問題全部解決。

3 結(jié)語

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，Massive MIMO技術(shù)得到廣泛的使用，其本身對于提升5G網(wǎng)絡(luò)性能有著極大的幫助作用。因此，希望通過本文的探討能夠?qū)assive MIMO技術(shù)有深入的了解，并對其今后的發(fā)展能夠起到一定的幫助作用。

[1]曲思潼，張遠(yuǎn)，王濤，江傳民，曹振新.基于Massive MIMO系統(tǒng)的自適應(yīng)抗干擾算法研究及實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2020（07）：67-75.

[2]彭東升，王煜輝，程曉東，吳亞偉.Massive MIMO廣播波束場景化研究[J].通信技術(shù)，2020（01）：63-68.

[3]李新玥，楊艷，張濤.5G MU-MIMO關(guān)鍵技術(shù)和性能研究[J].郵電設(shè)計技術(shù)，2019（12）：46-51.

[4]張鎖興，陶濤.Massive MIMO關(guān)鍵技術(shù)進展[J].信息通信，2018（11）：236-238.

[5]邢金柱，蘆翔.5G關(guān)鍵技術(shù)Massive MIMO及NOMA技術(shù)綜述[J].電子世界，2018（02）：31-32+35.