5G关键技术-MassiveMIMO



  • MIMO代表多输入多输出无线技术。在通信系统中,吞吐量是用户和服务提供商最在意的几个参数之一。为了提高新一代移动通信技术的吞吐量,5G采用了MassiveMIMO技术。它能有效的在指定的带宽和发射功率下,增大信道的容量,提高吞吐量。

    信道容量的计算方法

    信道的容量表示为:

    C=NBlog2(1+SN)C = N \cdot B\log_2(1+\frac{S}{N})

    其中N表示通道数,B表示带宽,S/N为信噪比。所以想要增加信道容量,我们需要多通道、大带宽、高的接收功率。接收功率计算表达式为:
    Pr=PtGtGrλ2(4πR)2P{r}=P{t} \frac{G{t} G{r} \lambda^{2}}{(4 \pi R)^{2}}
    其中PrP_r为接收功率,PtP_t为传输功率,GtG_t为发射增益。GrG_r为接收增益,λ\lambda为波长,RR为发射天线与接收天线距离。

    由于不方便在用户增加增益等,所以增加接收功率的最好的方式是增加发射增益。5G采用的是毫米波作为频带,所以带宽是一定的,对于多通道技术,需要采用空间复用的方式,对应的技术就是MIMO。而将毫米波技术结合增加发射增益,就对应beam-forming技术。二者的结合称之为MassiveMIMO技术。

    值得注意的是这里的通道数表示的是在同样的频率下,增加的通道数,同样能增加信道的容量。



  • MassiveMIMO系统定义

    Massive MIMO定义:Massive MIMO利用MIMO技术并使用数十根甚至上百根天 线将传统MIMO天线系统扩展为大规模天线矩阵,从而利用大规模天线矩阵所提供 的波束附形技术聚焦传输和接收信号的能量到有限区域来提高能量效率和传输距 离,并利用MIMO的空间复用技术提高传输速率。

    Massive MIMO = Beamforming + Spatial Multiplexing

    什么是波束成形

    • 并列的多个天线振子可以使发射信号形成方向性-波束成形(beam forming)

    • 多个振子之间的相对相位改变使得发射信号的方向变化-波束导向(beam steering)

    实际的波束成形系统

    实际的波束成型系统一般都是三维的,使用二维平面上的天线阵列形成波束,发送给对应的UE。

    Vertical up-down tilting + Horizontal Beamforming = 3D Beamforming



  • Beam-forming的类型

    根据Beam-forming是用模拟还是数字的方式,分为三类:模拟、数字、混合。

    模拟方式beam-forming 使用移相器实现,数字beamforming使用**预编码(pre-coding)**实现,混合则使用二者的混合实现。

    数字波束成形(Digital Beamforming)

    数字波束成形(Digital Beamforming)是在基带处使用beamforming 技术,即在基带处使用precoding技术使得各天线上的发射的信号形成相位差,从而达到beamforming 的效果。所以digital beam forming又称为Precoding。Beamforming是precoding的一个作用。

    其优点为:

    • 天线数目少时,便于实现。(纯数字处理,不需要加移相器)
    • 便于设计复杂的算法
    • 适用于多层及多用户(precoding不仅能实现beamforming,还能实现空间复用(multiplexing))

    缺点:

    • 当天线数目较大时,成本高
    • 硬件需求高(因为每一个天线的都要有一套独立的RF(Radio Frequency)链,导致成本高,硬件需求高)

    模拟波束成形(Analog Beamforming)

    模拟波束成形指在基带处使用RF beamforming技术,即在天线处使用移相器使得各个天线上发射的信号形成相位差,从而达到beamforming 的效果。所以Analog Beamforming 又被称为RF beamforming。

    其优点为:

    • 天线数目多也便于使用
    • 降低硬件复杂性

    缺点:

    • 在天线数目较少时灵活性降低
    • 不易于设计复杂算法
    • 无法实现MIMO场景

    混合波束成形(Hybrid Beamforming)

    Hybrid Beamforming 结合了数字和模拟技术,使得两种凡是的优势得以发挥,缺点得以弥补。

    在数字侧主要管空间复用, MIMO,使precoding发挥优势。Beamforming在RF侧使用模拟技术

    优点:

    • 性能与成本及复杂度得到平衡
    • 基带部分主要实现MIMO,RF部分主要实现beamforming


  • MassiveMIMO在5G

    5GNR中,支持下行八层MIMO及上行4层MIMO

    Massive MIMO的优势

    1. 相较于传统的MIMO系统,Massive MIMO系统的空间分辨率被极大地提升了。 Massive MIMO技术可以在没有基站分裂的条件下实现空间资源的深度挖掘。

    2. 波束赋形技术能够让能量极小的波束集中在一块小型区域,因此干扰能够被极大地减少。波束赋形技术可以与小区分裂、小区分簇相结合,并与毫米波高频段共同应用于无线短距离传输系统中,将信号强度集中于特定方向和特定用户群,实现信号的可靠高速传输。

    3. Massive MIMO技术能够通过不同的维度(空域、时域、频域、极化域)提升频谱利用效率和能量利用效率。




 

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