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5G核心技術之Massive MIMO天線陣列

日期: 2020-04-15
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5G核心技術之Massive MIMO天線陣列

2019-04-09? ? ? ? 來源:網絡資料匯編? ? ? ? 作者: Rocky lee


? ? ? Massive MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output)天線陣列,即大規模多輸入多輸出天線陣列,這個概念里面涵蓋了兩層信息:(1)大規模天線陣列(多大算大?),(2)多輸入多輸出天線。

? ? ? 首先,我們從MIMO的層面入手來展開這個話題,MIMO是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線,實現信號的空間復用。其包含兩個核心思想,空間分集技術和空間復用技術,前者用來解決可靠性問題,后者用來解決容量問題。簡單來講,空間分集技術就是用多個天線發送同樣的數據,對接收端來講,便極大的提高了信號傳輸的可靠性;空間復用技術就是利用多個天線同時發送獨立的數據,這樣就增加了系統的數據容量,容量會隨著發射端或接收端天線數中較小的一方min(N,M)的增加而線性增加。其工作原理如圖1所示,4G時代的天線水平配置有1*2(1收2發)、2*2、2*4、4*4等規格。

? ? ?5G核心技術之Massive MIMO天線陣列

圖1:MIMO工作原理圖? ? ? ? ?

? ? ? 其次,我們來討論大規模的內涵,也涉及兩個核心思想,天線數量和信號覆蓋的維度。

? ? ? 就天線數量而言,4G時代的天線數量以根計數(2,4和8),而5G時代的Massive MIMO的天線卻需要用陣列來計數(多達到64,128和256),如圖2所示;根據天線理論,天線長度應與波長成正比,大約在1/10~1/4之間,5G時代電磁波(高頻段)波長達到毫米級別,天線尺寸隨之減小,可以滿足移動通信終端尺寸限制。


5G核心技術之Massive MIMO天線陣列

圖2:MIMO工作原理圖??


? ? ? 就信號覆蓋的維度而言,4G時代的天線實際信號是水平移動的,垂直方向是不動的,故被稱為2D-MIMO,而Massive MIMO,實際信號是在信號水平維度的基礎上增加垂直維度的空域進行利用,信號的輻射呈波束狀,故也被稱為3D-MIMO,如圖3所示。Massive MIMO的波束賦形和我們通常理解的波束賦形是不一樣的。它并不是波束直線指向用戶終端,而是可以從多個不同方向指向終端。信號預處理算法可以為波束安排最佳路由,也可以在精確協調下將數據流經由障礙物反射路徑發送到指定用戶。

? ? ?5G核心技術之Massive MIMO天線陣列


圖3:Massive MIMO信號覆蓋維度示意圖?

? ? ? ?后記:

? ? ? ?使用高頻率載波的移動通信系統將面臨改善覆蓋和減少干擾的嚴峻挑戰。一旦頻率超過10GHz,衍射不再是主要的信號傳播方式;對于非視距傳播鏈路來說,反射和散射才是主要的信號傳播方式。

? ? ? ?Massive MIMO天線陣列無疑是把雙刃劍,天線越多,波束寬度越窄。好處在于,不同的波束之間,不同的用戶之間的干擾比較少,因為不同的波束都有各自的聚焦區域,這些區域都非常小,彼此之間不大有交集;不利之處在于,系統必須用非常復雜的算法來找到用戶的準確位置,否則就不能精準地將波束對準這個用戶。

? ? ? ?Massive MIMO使得在同頻同時下,通過地理位置的不同,實現對不同終端的通信,極大的提升了頻譜效率,但不能解決頻率選擇性衰落問題;而OFDM(正交頻分復用,后續撰文單獨討論)技術可以擴大頻譜利用效率,解決多徑傳輸效應和頻率選擇性衰落問題,但是不能解決系統容量問題。這樣一來,OFDM-MIMO系統的組合可算是無線通信領域的重大突破!

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