5G中MIMO技術分析及應用

朱翔宇

摘 要：多輸入多輸出天線技術是無線移動通信領域的重大突破，在不增加帶寬的情況下，MIMO技術成倍的提高了通信質量和頻譜利用率，是新一代通信系統必備的關鍵技術。在5G的建設中，大規模MIMO技術是一項關鍵技術，它解決了過去傳統天線技術信道容量低的問題，提高通信系統的容量，所需成本低，整個系統地頑健性強。MIMO技術因其覆蓋能力強而成為5G采用的關鍵技術。

關鍵詞：MIMO；大規模MIMO天線

一、多輸入多輸出天線技術（MIMO）

MIMO技術指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質量。它能充分利用空間資源，通過多個天線實現多發多收，在不增加頻譜資源和天線發射功率的情況下，可以成倍的提高系統信道容量，顯示出明顯的優勢、被視為下一代移動通信的核心技術。

MIMO技術經歷了從最初的點到點通信，到單小區多用戶MIMO，再到多小區MIMO的發展歷程。點對點單用戶MIMO由于在實際中天線數目是受限制的，所以信道容量不可能無限制增長。多用戶MIMO利用天線空間的自由度實現多用戶分離，其核心思想就是在盡可能地提高用戶接收功率的同時，降低不同用戶之間的干擾。MIMO技術之所以在4G系統中廣泛應用，主要是因為MIMO技術通過利用收發兩端配置的多根天線，可以充分的利用空間資源，成倍的提高系統信道容量。一方面，多根天線的應用可以形成分集效應，用來對抗多徑效率及平坦性衰落，從而提高系統的頑健性，利用空間的自由度提高單位時間內的信息傳播量，間接地提高頻譜資源的利用效率。大規模MIMO技術，又稱大規模天線陣列，指在收發兩端裝備超大數目的天線以發送和接收信號，從而使通信系統可以在相同的時頻資源塊上同時服務數十個用戶。

二、大規模MIMO技術的優勢

大規模MIMO能夠提高系統容量及能量效率，主要特點是在基站側裝配了大量的天線，可以在基站和用戶之間形成多條獨立傳輸的數據鏈路，因此，可以獲得更大的空間復用增益。在系統傳輸功率一定的情況下，每一根天線分配到的功率更小，所以可以利用天線之間的相互作用，通過波束賦形將傳輸數據發送到指定的用戶區域，降低了能源損耗。基站側利用多根天線向同一用戶發送相同的數據，目標用戶端對接收到的不同數據流的信號進行相干疊加以增加期望信號強度，從而使得其余用戶端接收到的不同數據流的干擾可以相互抵消，降低干擾的影響。由此，系統的能量效率得到極大提升。

大規模MIMO系統的硬件設備成本低，易于在實際應用中推廣。天線數目增加使系統對單根天線的精確度要求降低，從而使得需求器件的造價下降。同時，由于天線數目的增加，單根天線上的功率遠遠小于傳統MIMO，所以可以使用廉價的功率放大器代替傳統的高功率放大器。一方面，信號發射功率較小，直接降低了基站功耗；另一方面，基站輻射功率較小也可以減小基站對周邊環境的電磁輻射，降低對周邊生物的影響。

大規模MIMO提高系統的頑健性，采用大規模天線陣列，通常可以利用多根天線為同一用戶進行服務，因此可以利用多徑效應，在接收端利用信號合并對噪聲、干擾、硬件噪聲等進行平均化，從而消除傳輸過程中各種不確定性的影響，也可以避免人為故意干擾，整體上提升信息傳輸的可靠性和有效性。同時，傳統MIMO系統對于射頻鏈路的線性特征及放大器精度要求極高，往往系統某一部分的故障會導致系統整體崩潰。而大規模MIMO中天線單元眾多，部分的故障不會對整體的性能產生影響，系統的頑健性比傳統MIMO要高得多。

三、大規模MIMO天線

大規模MIMO技術應用的關鍵還在于天線的設計。面向5G的大規模MIMO天線的設計要求有3點：首先是MIMO天線要能夠同時實現空間復用、空間分集和波束賦形；其次是陣列天線，需要很多天線振子單元以滿足大規模用戶數據的同時收發要求；最后是有源天線，通過將天線振子單元、輻射功放單元、耦合振蕩單元集為一體，在考慮維護和優化方面實現天線的小型化。

由于技術方面的局限性和業務需求的臨時應用性，傳統MIMO天線只能在空間復用、空間分集和波束賦形3個方案中，根據實際要求最大化地獲取其中一種或兩種增益，而無法完整發揮出三者的最佳性能。

實現空間復用的首要條件是發射天線和接收天線的振子間距必須大到可以保證收發端的各個子信道是獨立衰落的不相關信道。空間分集對于天線振子的間距要求也是如此，空間分集的效果越好，決定了天線振子間距也必須足夠大。在實際的天線設計中，為了滿足空間復用和空間分集的技術性要求，天線振子的發射信號應具有無關性，振子間距盡可能大，而波束賦形則要求振子單元的發射信號具有相關性，振子間距保持1/2波長的整數倍，這顯然是相互矛盾的。所以要充分發揮出MIMO技術的全部性能，未來5G大規模MIMO設計要首先攻克下這一難題。

對于天線振子的數目，傳統MIMO的天線陣元數一般不超過8個，而未來大規模MIMO天線的陣元數目將遠遠超過于此。由于在實際中天線的體積不可能無限制增加。因此，5G大規模MIMO天線設計的另一要點是實現天線小型化。所幸的是，5G將更多的采用高頻段的載波進行通信，這樣就有利于收發反饋系統的小型化、集成化以及振子數目的大規模化。

與其說天線有源化是大規模MIMO天線的要求，不如說有源化是大規模MIMO天線主動適應發展趨勢的結果。有源集成天線是有有源輻射功放集成電路與天線振子等輻射單元集成在一起形成的。傳統的MIMO天線振子數量較小，天線結構簡單，引入有源天線陣列不是必要的。但是對于大規模MIMO天線，有源天線陣列可以省去復雜的功率分配網絡，減少額外的功率損耗，降低輻射單元的輸出功率。由于有源天線陣列可直接在反饋部分實現電磁波的產生、變換、發射和接收等系統功能，天線不僅是輻射單元，還是有源電路的組成部分，雙方不再是簡單的級聯，而是互為對方的電路部分。這就減少了中間元器件，減少了饋線連接和連接節點，使得在設計方面天線和有源電路是一個有機整體，更加便于維護、管理和優化。

四、MIMO在高速鐵路中的應用

在高速鐵路移動通信場景下，由于列車大部分時間都行駛在距離基站很遠的地方，天線間經歷的信道衰落也很相近。所以空間分集效果對于這種強相關的信道并不顯著。在高速鐵路場景下，列車的高速移動會使通信信道的變化很快，發送端無論是測量上行信號，還是接收端反饋獲取信道信息都會造成較大的時延。當列車在距離基站較近路段運行時，基站與列車通信終端間的方位角變化又會非常快，所以基于方位角進行波束覆蓋調整的DOA-BF技術可以充分利用這種通信場景的特性來形成高速鐵路通信場景中的MIMO方案。

參考文獻

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