5G移動通信中Massive MIMO技術的研究

摘 要：MIMO技術在LTE中已經得到了廣泛應用，但是LTE中4天線、8天線已經不能滿足5G的高速率要求，所以必須使用16天線、32天線甚至更多天線的Massive MIMO技術。本文針對Massive MIMO的使用原因做了詳細闡述，總結了Massive MIMO技術的優點以及使用場景。給讀者對Massive MIMO技術的了解帶來幫助。

關鍵詞：Massive MIMO;多天線;5G

Massive MIMO是5G的關鍵技術之一，是實現5G高速率、大容量接入的關鍵。Massive MIMO即大規模多輸入多輸出系統，通過相互獨立的子載波波束，將用戶在空間進行隔離從而傳輸不同用戶的數據，成倍增加系統的吞吐量。

一、Massive MIMO技術發展

Massive MIMO是在MIMO技術的延伸上發展而來的。在LTE中已經得到了廣泛的應用。與LTE中MIMO的最多8根天線相比較，Massive MIMO在5G中則支持16、32、64、128甚至更大規模的天線。

二、弗里斯傳輸方程對MIMO技術的作用

根據弗里斯傳輸方程，通過傳輸功率、天線增益、距離、波長與接收功率可以計算出第一個天線到第二個天線的接收功率。公式如下：

Pr=PtGtGrλ4πR2

其中Pt是發射天線功率，Pr是接收天線功率，Gt是發射天線增益，Gr是接收天線增益，λ是工作波長，R為收發天線距離。

通過公式可以得出，理論上想要增大接收功率Pr，則可以增大發射功率Pt;增大發射天線增益Gt;增大接收天線增益Gr;增大工作波長λ以及減小收發天線距離。但是由于功放技術的極限限制以及國家無線管委會的規定，是不能無限制的增大天線發射功率Pt的。同時由于材料發展的瓶頸以及物理規律也不能直接無限提高發射天線增益Gt、接收天線增益Gr。想要減小收發距離，意味著運營商需要多建基站，顯然也不可以。只有通過降低頻率來增加波長λ，但是低頻頻段資源極其有限，而且有一些還被2G、3G、4G暫時占用，無法使用。所以直接簡單的通過增加Pt、Gt、Gr、λ以及減小R來提高Pr顯然不能實現。

三、Massive MIMO背景下的波束賦形

波束賦形就是在MIMO背景下根據不同場景自適應調整天線陣列方向圖的一種天線技術。在LTE中已經有所應用。傳統單天線通信方式在手機和基站之間建立了一條電磁波的通路，如果不進行物理調節，其天線輻射圖是固定的，導致同時同頻可服務的用戶數量受限。而應用了波束賦形技術后，基站側擁有更多的天線，便可以自適應調節各個天線上發射信號的相位，使得他們高度相關，在手機接收點形成有多個信號疊加的波束，從而產生更強的信號增益來對抗損耗。通俗講，這個技術就像生活中發光的小燈泡，它的光是射向四面八方的，所以它的照亮范圍極其有限。但是一旦將燈泡裝入手電筒，加入反光罩，則光源可以射的更遠，便可以增加某一個方向照亮的增益。

在通信系統中，天線數目越多、規模越大，波束賦形能夠大會的作用也就越明顯。與LTE 中波束賦形不同的是，5G中天線從一維多天線增加到二維多天線。所以波束賦形技術也從2D演變為3D，能夠同時控制日安縣方向圖在水平和垂直方向的形狀。3D波束賦形使得基站針對不同空間分布的用戶，將信號更加精準的指向目標用戶。

再來回到弗里斯傳輸方程，雖然我們沒有直接增加Gt來增加Pr，但是通過大規模的波束賦形實質上相當于對多個波束進行“整形”，從而變相提高了發射天線增益Gt。所以最終的Pr的提高還是基于弗里斯傳輸方程的。

四、Massive MIMO技術優點

（一）更加精準的3D波束賦形，大大提高了接收信號強度

不同的波束都有各自非常集中的聚焦區域，使得用戶始終處于小區內的最佳信號區域。

（二）同頻同時為更多用戶服務，提高網絡容量

由于在覆蓋空間中對不同用戶可形成獨立的窄帶波束覆蓋，從而使得天線可以同時為不同的用戶服務，成倍的提高了系統用戶容量。

（三）有效減少小區間干擾

由于更加窄的波束，可以更加精準的服務用戶，避免信號輻射到鄰區，對鄰區造成干擾。

（四）更好覆蓋遠、近端小區

由于5G中使用的3D波束賦形，波束能夠在水平和垂直兩個方向連續覆蓋，更好的覆蓋小區邊緣和小區天線下的用戶。

五、應用場景

（一）重點區域多用戶場景

5G之前演唱會、聚會、體育賽事中，由于信號覆蓋范圍內用戶過多，打電話上網都變得很困難。在5G使用了大規模MIMO后，可以使用更加精準的波束和獨立的波束進行覆蓋，從而提升用戶感受和系統容量。

（二）高樓覆蓋場景

用戶大量分布于不同樓棟的不同樓層，傳統的基站垂直覆蓋分為通常較窄，可能需要部署多個天線才可滿足要求，5G移動通信中的3D波束賦形可有效的提升水平和垂直覆蓋的能力，從而解決高樓覆蓋問題。

六、總結

通過本文旨在讓讀者了解Massive MIMO技術發展、特點、優點。了解Massive MIMO在5G中發揮重要的作用，是5G速率大幅提升的關鍵。

作者簡介：魏超（1991-），男，陜西寶雞人，碩士，助教，主要研究方向：移動通信技術。