Massive MIMO關鍵技術及其在5G網絡性能提升中的運用

◆李曉靜 陳賀 楊東

Massive MIMO關鍵技術及其在5G網絡性能提升中的運用

◆李曉靜 陳賀 楊東

（黃河科技學院工學部 河南 450000）

隨著無線通信技術的不斷發展以及各種新型網絡業務的出現，社會對于數據傳輸速率的要求在逐漸提高。為了滿足數據傳輸速率的要求，增加基站天線數目、構建Massive MIMO系統就成為一種便捷、高效的方式。因此，本文就Massive MIMO關鍵技術進行分析，并且闡述其對于5G網絡性能提升的具體作用，希望可以滿足Massive MIMO技術的應用需求。

Massive MIMO；5G；網絡性能

在5G網絡之中，Massive MIMO技術作為其關鍵所在，具有更大的系統容量、更高的平鋪利用率以及良好的抗多徑衰落性能等優點，在網絡運行中得到了廣泛的應用。因此，對于Massive MIMO技術的研究具有重要的現實意義。

1 Massive MIMO技術分析

Massive MIMO技術作為5G技術之一，在滿足5G的e MBB、u RLLC 和 m MTC業務上發揮了重要的作用。Massive MIMO主要是利用基站端來布置天線規模的天線陣，通過運用波束成形技術就可以構建朝向多個目標客戶的不同波束，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實現了對稀缺的、寶貴的、有效的頻帶資源的利用，將網絡容量提升了幾十倍。

（1）多輸入多輸出系統

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

假設有NTx根發射天線和NRx根接收天線，其對應的Massive MIMO系統具體見圖1所示。

圖1 Massive MIMO系統示意圖

（2）波束賦形

針對Massive MIMO而言，波束賦形屬于其主要技術特點，通過不同路徑信號的加權合并，就可以實現對接收端信噪比的改善，在距離接收端較遠的時候提升相應的信號質量。

（3）設備形態

為了滿足系統性能提升要求，提高用戶感知，針對5G無線基站，就可以考慮到基于Massive MIMO技術的大規模天線設備的使用，以此來支持天線陣列，最終實現對于用戶控件復用傳輸的支持，實現5G系統頻譜效率數倍的提升[2]。

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

圖2 不同TR設備的signal level仿真

2 Massive MIMO助力5G網絡性能提升

針對Massive MIMO，主要是通過天線與射頻陣列格局的改變來實現其轉變。對于5G基站，其利用大規模的多天線技術，基于不同“維度”實現5G頻譜利用率的全面提升。考慮到5G測試結果的實際情況，運用64通道的Massive MIMO技術成為最主流的選擇。一般來說，通道數越多，其伴隨而來的網絡性能就越高，但是針對3.5GHz頻段的天線產品，其本身是難以特別小型化的[3]。所以，基于成本、產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，為了規范4G網絡和5G網絡的部署，5G基站與終端就需要更大的發射功率，這樣才能有效規避工作頻段不斷升高帶來的覆蓋損失。就目前的3GPP的標準進展情況分析來看，在3.5GHz的頻段下手機終端和基站本身的發射功率相對較高。就目前各個公司的具體產品和對應的技術研究分析來看，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200W的發射功率，手機終端發射功率相對于4G時期預計也可以提升一倍，達到400mW。更大的發射功率可以將5G工作狀態下頻段升高導致的網絡上下行覆蓋損失加以彌補[4]。

為了實現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來實現覆蓋能力和網絡性能的全面提升。基于5G鏈路預算來分析，因為手機終端發射功率本身的限制，5G網絡的實際覆蓋范圍也會受到上行限制。當宏基站部署在室外、用戶在室內，無線信號就會穿越墻體，導致信號衰減，會縮小基站的實際覆蓋范圍[5]。在5G時代，一般約定當終端上行速率降低到2Mbit/s就屬于小區的覆蓋邊緣。按照這一規定來分析鏈路預算，在3.5GHz的頻段中5G上行的實際覆蓋可以達到200m。如果考慮到目前還沒有完成標準化的5G全新幀結構設計，上行的覆蓋距離預計會更遠。

圖4 Massive MIMO的技術優勢

就目前的標準實際進展情況以及對應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用來實現網絡容量的提升，也可以利用波束賦形的方式來提升網絡的實際覆蓋能力。波束賦形技術主要是通過對于天線增益空間分布的調整，在發送的時候就可以將信號能量集中指向目標終端，彌補在空間傳輸過程中信號出現的損耗，以此來提升網絡的實際覆蓋能力。

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

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

3 結語

隨著無線通信技術的不斷發展，Massive MIMO技術得到廣泛的使用，其本身對于提升5G網絡性能有著極大的幫助作用。因此，希望通過本文的探討能夠對Massive MIMO技術有深入的了解，并對其今后的發展能夠起到一定的幫助作用。

[1]曲思潼，張遠，王濤，江傳民，曹振新.基于Massive MIMO系統的自適應抗干擾算法研究及實現[J].電視技術，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，2020（01）：63-68.

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

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

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