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剑网3指尖江湖内测下载:8個問題讓你了解5G關鍵技術—Massive MIMO

2019-06-06來源: cnblogs關鍵字:Massive  MIMO

剑网3指尖江湖哪个职业 www.7886828.com 1 什么是Massive MIMO

 

Massive MIMO(大規模天線技術,亦稱為Large Scale MIMO)是第五代移動通信(5G)中提高系統容量和頻譜利用率的關鍵技術。它最早由美國貝爾實驗室研究人員提出,研究發現,當小區的基站天線數目趨于無窮大時,加性高斯白噪聲和瑞利衰落等負面影響全都可以忽略不計,數據傳輸速率能得到極大提高。

 

從兩方面理解:

 

(1)天線數

 

傳統的TDD網絡的天線基本是2天線、4天線或8天線,而Massive MIMO指的是通道數達到64/128/256個。

 

(2)信號覆蓋的維度

 

傳統的MIMO我們稱之為2D-MIMO,以8天線為例,實際信號在做覆蓋時,只能在水平方向移動,垂直方向是不動的,信號類似一個平面發射出去,而Massive MIMO,是信號水平維度空間基礎上引入垂直維度的空域進行利用,信號的輻射狀是個電磁波束。所以Massive MIMO也稱為3D-MIMO。

 

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2 Massive MIMO優點有哪些

 

2.1 Massive MIMO的好處在哪里

 

高復用增益和分集增益:大規模MIMO系統的空間分辨率與現有MIMO系統相比顯著提高,它能深度挖掘空間維度資源,使得基站覆蓋范圍內的多個用戶在同一時頻資源上利用大規模MIMO提供的空間自由度與基站同時進行通信,提升頻譜資源在多個用戶之間的復用能力,從而在不需要增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高頻譜效率。

 

? 高能量效率:大規模MIMO系統可形成更窄的波束,集中輻射于更小的空間區域內,從而使基站與UE之間的射頻傳輸鏈路上的能量效率更高,減少基站發射功率損耗,是構建未來高能效綠色寬帶無線通信系統的重要技術。

 

? 高空間分辨率:大規模MIMO系統具有更好的魯棒性能。由于天線數目遠大于UE數目,系統具有很高的空間自由度,系統具有很強的抗干擾能力。當基站天線數目趨于無窮時,加性高斯白噪聲和瑞利衰落等負面影響全都可以忽略不計。

 

2.2 Massive MIMO為什么能有這么多優點

 

從數學原理上來講,當空間傳輸信道所映射的空間維度趨向于極限大時,兩兩空間信道就會趨向于正交,從而可以對空間信道進行區分,大幅降低干擾。

 

雖然理論上看,天線數越多越好,系統容量也會成倍提升,但是要考慮系統實現的代價等多方面因素,因此現階段的天線最大也即256個。

 

3 Massive MIMO挑戰有哪些

 

雖然Massive MIMO作為5G的核心技術之一,但是這并不意味著這項技術已經成熟(完整)。關于這項技術仍有很多事情需要改進或解決。此頁面將列出一些通常被列為進一步研究項目的區域。

 

3.1 如何安排天線

 

如您所知,在Massive Antenna中,您將擁有大量的天線。現在您會有疑問......我應該如何安排這些天線以達到最佳性能?

 

下圖顯示了我從各種技術材料中看到的各種類型的天線布置。什么是最好的安排?會有新的安排方法嗎?

 

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這些問題應該從進一步的研究中得到解答。

 

3.2 如何建模3D頻道

 

如果將天線排列為(B),(C),(D),則可以將光束的方向指向水平方向和垂直方向。如果組合兩個方向,則可以將光束指向3D空間中的任何方向(至少幾乎是3D球體的一半)。這很好,但也有復雜性。現在您需要考慮所有這些方向的通道因素,并且您需要數學模型來考慮這些3D因素。

 

這種渠道模型是需要進一步研究的領域之一。

 

3.3 如何將其應用于FDD操作

 

我認為這是Massive MIMO的最大缺點(至少截至目前)。為了執行最佳波束成形,您需要獲得不斷變化的通道的準確(詳細)信息。為了獲得此類信息,您需要從UE獲取有關下行鏈路信道質量的報告。為此,您需要為下行鏈路參考信號分配大量資源,這將導致嚴重的資源浪費。在FDD中,我們沒有任何好主意在不使用基于參考信號的這種信道質量報告的情況下獲得信道信息。

 

然而,在TDD中,我們可以使用一些可能不需要這種UE報告的替代技術。在TDD中,我們對下行鏈路和上行鏈路使用相同的頻帶。因此,如果網絡可以從UE傳輸信號估計上行鏈路信道質量,則可以將該信息用作下行鏈路信道質量。因此,在TDD中,您可以創建非常優化的波束,而無需從UE獲得明確的信道質量報告。

 

當然,從上行鏈路信號導出的估計可能與下行鏈路信號不完全相同,因為上行鏈路和下行鏈路的時隙是不同的。因此,在某個時隙的UL的信道估計可能與下行鏈路時隙不完全相同。然而,這是目前最常被接受和實踐的想法。

 

由于這個原因,大多數Massive MIMO實現都是在TDD模式下完成的。

 

3.4 如何從大陣列生成寬光束

 

Massive MIMO背后的關鍵思想之一是通過將單個波束的多個天線輸出建設性地相加來增加天線增益,并且通過該過程,所得波束的寬度趨于變窄。我們可以說這種窄光束在能量密度方面是好的,但它也意味著光束覆蓋的區域將非常窄。這意味著波束成形和引導應該非??燜俸妥既芬允實鋇鼐勱乖諛勘闡E上,但是這并不總是簡單且容易的,尤其是當UE處于快速移動狀態時。

 

因此,有必要在不犧牲大規模MIMO的太多性能的情況下加寬波束寬度。

 

3.5 如何校準天線系統

 

任何具有RF / mmWave設計或測試經驗的人都會明白,設計/測試的復雜性和難度會隨著信號路徑的增加呈指數級增長。即使假設設計正確完成,您也必須確保所有信號路徑和天線都經過適當校準,以便天線系統按預期工作。校準那些巨大數量的天線路徑絕對是一項具有挑戰性的任務。

 

3.6 如何處理調度和預編碼的復雜性

 

如您所知,Massive MIMO的最大動力是增加指定目標設備的方向性和增益。另一個動機(或由波束形成引起的要求)是實現MU-MIMO(多用戶MIMO)。然而,隨著使用更多天線并且更多用戶被瞄準,調度和預編碼將變得更復雜。如何處理這種情況將是一個大問題。只是為了增加DSP功率?或者想出一個新的/智能的數學方法來處理這個問題而不會過多地增加DSP的要求?

 

4 5G為什么要用Massive MIMO

 

5G雖然可以使用低于6GHz的低頻頻段,但是由于低頻頻段的資源有限,而5G對帶寬的需求量又很大,因此大部分5G網絡會部署在高頻頻段,即毫米波頻段(mmWave)。在為5G尋找合適的技術時,不能忽略5G的這個特征。

 

從無線電波的物理特征來看,如果我們使用低頻頻段或者中頻頻段,我們可以實現天線的全向收發,至少也可以在一個很寬的扇面上收發。但是,當使用高頻頻段(如毫米波頻段)時,我們別無選擇,只能使用包括了很多天線的天線陣列。使用多天線陣列的結果是,波束變得非常窄。為什么在毫米波頻段,我們只能使用多天線陣列呢?

 

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在理想傳播模型中,當發射端的發射功率固定時,接收端的接收功率與波長的平方、發射天線增益和接收天線增益成正比,與發射天線和接收天線之間的距離的平方成反比。

 

在毫米波段,無線電波的波長是毫米數量級的,所以又被稱作毫米波。而2G/3G/4G使用的無線電波是分米波或厘米波。由于接收功率與波長的平方成正比,因此與厘米波或者分米波相比,毫米波的信號衰減非常嚴重,導致接收天線接收到的信號功率顯著減少。怎么辦呢?

 

我們不可能隨意增加發射功率,因為國家對天線功率有上限限制;我們不可能改變發射天線和接收天線之間的距離,因為移動用戶隨時可能改變位置;我們也不可能無限提高發射天線和接收天線的增益,因為這受制于材料和物理規律。

 

唯一可行的解決方案是:增加發射天線和接收天線的數量,即設計一個多天線陣列。

 

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3GPPR1-136362對5G引入Massive MIMO的動機做了很好的總結:

 

隨著移動通信使用的無線電波頻率的提高,路徑損耗也隨之加大。但是,假設我們使用的天線尺寸相對無線波長是固定的,比如1/2波長或者1/4波長,那么載波頻率提高意味著天線變得越來越小。這就是說,在同樣的空間里,我們可以塞入越來越多的高頻段天線?;謖飧鍪率?,我們就可以通過增加天線數量來補償高頻路徑損耗,而又不會增加天線陣列的尺寸。

 

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。同時,在高頻場景下,穿過建筑物的穿透損耗也會大大增加。這些因素都會大大增加信號覆蓋的難度。特別是對于室內覆蓋來說,用室外宏站覆蓋室內用戶變得越來越不可行。而使用Massive MIMO(即天線陣列中的許多天線),我們能夠生成高增益、可調節的賦形波束,從而明顯改善信號覆蓋,并且由于其波束非常窄,可以大大減少對周邊的干擾。

 

多天線陣列無疑是把雙刃劍。很明顯,多天線陣列的大部分發射能量聚集在一個非常窄的區域。這意味著,使用的天線越多,波束寬度越窄。

 

多天線陣列的好處在于,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。

 

多天線陣列的不利之處在于,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。因此,我們不難理解,波束管理和波束控制對Massive MIMO的重要性。

 

4.1 Massive MIMO的聚焦特性

 

有一件事是由Massive MIMO自動獲得的。事實上,從天線陣發射的大部分能量集中在非常狹窄的區域。這意味著當您使用更多天線時,波束寬度會變窄。下面的圖將給出一個示例,說明隨著天線數量的增加,波束衰減的影響。

 

這種效果會同時造成優勢和失敗。優勢在于不同用戶的光束之間的干擾會更少,因為每個光束都會聚焦在非常小的區域,缺點是你必須實現非常復雜的算法來找到用戶的確切位置并指導光束給用戶高精度。

 

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注*:在本例中,我假設每個天線都傳輸完全相同的功率,無論它是在2個天線陣列還是在4個天線陣列中。所以你看到4個天線陣列的峰值功率更高。但實際上,它們會增加每個天線的發射功率,因為它們會增加天線的數量。關鍵是即使增加天線數量,也不應增加整個陣列的總傳輸功率。

 

以下是另一個玩具程序,它顯示了二維天線陣列中的光束模式(這是線性比例,而不是dB比例)。你會注意到隨著陣列中天線數量的增加,波束寬度變得越來越窄。

 

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4.2 Massive MIMO的波束賦形 vs. 傳統的波束賦形

 

波束賦形是指,大規模多天線系統可以控制每一個天線單元的發射(或接收)信號的相位和信號幅度,產生具有指向性的波束,消除來自四面八方的干擾,增強波束方向的信號。它可補償無線傳播損耗。

 

至于3D Beamforming,是指在三維空間(水平和垂直空間)形成傳輸信號的分離波束。

 

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需要說明的是,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,它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。

 

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天線陣列和用戶之間的多路徑環境

 

這里有一個經典的演示。

 

假設在一個周圍建筑物密集的廣場邊上有一個全向基站(紅色圓點),周圍不同方向上分布3臺終端(紅、綠、藍X)。

 

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未采用Massive MIMO場景下,當紅色終端和基站通信時,無線傳播路徑是這樣的,如下圖所示:

 

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采用Massive MIMO場景下,并引入精準的波束賦形后,情況就神奇的變成這樣了,如下圖所示:

 

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Massive MIMO可改善能效,提升頻譜效率,也就不難理解了吧!

[1] [2]

關鍵字:Massive  MIMO

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