5G无线技术基础自学系列 | MIMO功能

Posted 2022-12-14 COCOgsta

素材来源：《5G无线网络规划与优化》

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无线通信的迅速发展对系统的容量和频谱效率提出了越来越高的要求。为此，各种提高系统容量和频谱谱效率的技术应运而生，常见的方法有扩展系统带宽、提高信号调制阶数等。然而，扩展带宽一般仅能升系统的容量，并不能有效提升频谱效率，而提高信号调制阶数虽然可以提升频谱效率，但由于调制阶数一般很难成倍提升，所以提升频谱效率的能力也是很有限的。

多输入/多输出(Multiple Input Multiple Output， MIMO) 是一种成倍提升系统频谱效率的技术， 是对单发单收(Single Input Single Output， SISO) 的扩展。它泛指在发送端或接收端采用多根天线， 并辅助一定的发送端和接收端信号处理技术完成通信。

如图4-1所示， 一般称其为MxN的MIMO系统， 其中， M表示发射天线数， N表示接收天线数。广义上讲， 单发多收(Single Input Multiple Output， SIMO) 、多发单收(Multiple Input Single Output， MISO）也属于MIMO的范畴。此外， 波束赋形(Beam Forming， BF) 也属于MIMO的范畴。

MIMO技术能够通过信号处理技术提高无线链路传输的可靠性和信号质量， 不仅可以提升系统容量和覆盖，还可以带来更高的用户速率和更优质的用户体验。

Massive MIMO是多天线技术演进的一种高端形态， 是5G网络的一项关键技术。Massive MIMO站点的天线数显著提升，目前已可以做到64个收发通道，且天线与射频单元一起集成为有源天线处理单元。

相对于传统多天线技术， 通过大规模天线阵列对信号进行联合接收解调或发送处理， Massive MIMO可以大幅提升单用户链路性能和多用户空分复用能力，从而显著增强了系统链路质量和传输速率。

Massive MIMO应用场景如下。

(1) 热点区域：密集城区、中心商业区、广场、体育馆等。在这些区域中，用户密集，需要支持大量在线用户， 上下行容量需求极高。Massive MIMO特性能够有效抑制干扰， 支持多层配对的MU-BF和MU-MIMO， 从而显著提升小区吞吐率， 解决热点区域容量诉求。

(2) 高楼覆盖：该场景下，用户垂直分布于不同楼层，普通站点的垂直覆盖范围较窄，难以覆盖多个楼层。Massive MIMO站点支持三维波束调整， 增强了垂直维度广播波束的覆盖能力， 从而可以覆盖更多楼层的用户。

(3) 深度覆盖：该场景下，通过室外站点对室内进行覆盖，通常有建筑物阻挡，由于穿透损耗等原因，导致用户信号较弱、体验较差。Masssive MIMO特性的上行多天线接收分集和下行波束赋形能够有效对抗传播与穿透损耗，从而提升了链路质量和用户的体验速率。

表4-1分别在性能、传输模式、波束赋形能力以及波束管理等方面对4G MIMO、4G Massive MIMO以及5G Massive MIMO进行了对比（某些厂家当前Massive MIMO可以支持64收发通道) 。