MIMO及大規模MIMO的技術原理與應用
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本期目錄
1
MIMO的技術原理
2
MIMO技術的應用
3
大規模MIMO的技術原理
4
大規模MIMO技術的應用
MIMO，即多入多出（Multiple-Input Multiple-Output），是指在無線通訊系統的發射端和接收端同時使用多個天線的通訊技術。如圖1所示。
MIMO技術最早由無線通訊技術的鼻祖馬可尼（Marconi）於1908年提出。他認為可以透過在發射裝置和接收裝置佈置多個天線來抑制通道衰落，從而提升無線通訊系統的質量。
上個世紀90年代，Bell實驗室的學者對MIMO技術的進一步發展做出了巨大的貢獻。1995年Telatar計算出了在衰落情況下的MIMO容量，1996年Foshinia研究成功D-BLAST（Diagonal Bell Labs Layered Space-Time)演算法，1998年Tarokh等研究成功用於MIMO系統的空時碼，1998年Wolniansky等人採用V-BLAST（Vertical Bell Labs Layered Space-Time）演算法建立了一個MIMO實驗系統，在室內試驗中達到了20bit/s/Hz以上的頻譜利用率。
MIMO技術對通訊系統效能的改善主要體現在以下幾個方面：
（1）提高系統容量
對於發射天線數為N，接收天線數為M的MIMO系統，假定通道為獨立的瑞利衰落通道，當N、M很大時，則通道容量C近似為：
C=[min(M,N)]Blog2(1+S/N)
其中B為通道頻寬，S/N為接收端平均信噪比。
上式表明，當接收信噪比和通道頻寬一定時，MIMO系統的容量隨發射天線個數和接收天線個數中最小值的增加而線性增加。
（2）對抗多徑衰落
MIMO系統存在多個不相關通道，可以起到空間分集的作用，從而有效地對抗多徑衰落。
（3）減少系統內干擾
MIMO系統可以形成指向性波束，從而降低基站之間的干擾和使用者間干擾。
（4）提高系統可靠性
多通道的存在，使得系統可靠性增加。
MIMO技術主要有三種實現方式：
（1）空間複用（Spatial Multiplexing）：系統將資料分割成多份，分別在發射端的多根天線上發射出去，接收端接收到多個數據的混合訊號後，利用不同空間通道間獨立的衰落特性，區分出這些並行的資料流。從而達到在相同的頻率資源內獲取更高資料速率的目的。
圖2 MIMO系統——空分複用
（2）傳輸分集技術：以空時編碼（Space Time Coding）為代表。在發射端對資料流進行聯合編碼以減小由於通道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率。空時編碼透過在發射端增加訊號的冗餘度，使訊號在接收端獲得分集增益。
圖3 使用空時編碼的MIMO系統
（3）波束成型（Beam Forming）：系統透過多根天線產生一個具有指向性的波束，將訊號能量集中在欲傳輸的方向，從而提升訊號質量，並減少對其他使用者的干擾。
MIMO技術已經成為無線通訊領域的關鍵技術之一，越來越多地應用於各種無線通訊系統。在無線寬頻接入系統中， 802.11n和802.11ac等標準都採用了MIMO技術。在蜂窩移動通訊系統方面， 3GPP最早在3G WCDMA HSPA+標準中引入了MIMO技術（2T2R，二根發射天線，二根接收天線）；在B3G網路（LTE）中，最高支援4T4R MIMO技術；在4G網路（LTE-A）中，最高支援8T8R MIMO技術。
在LTE系統中，共定義了9種無線下行傳輸模式（TM1-TM9）。如下表所示。
表1 LTE系統的無線下行傳輸模式
所謂大規模MIMO，是指天線根數達到數十根或數百根以上的MIMO系統。普通MIMO系統的天線數量一般是4根（2T2R）、8根（4T4R）或16根（8T8R），而大規模MIMO系統的天線可達64T64R、128128R，甚至256T256R。
普通MIMO系統的天線一般只在水平方向排列，而大規模MIMO系統的天線則在水平和垂直兩個方向排列，形成一個平面。如圖5所示。
圖5-1 普通MIMO系統的天線排列
我們知道，天線的尺寸一般是波長的1/2或1/4，而MIMO系統的天線之間的間距一般要求不小於半波長，因此，大規模MIMO技術更適合在高頻段的通訊系統中使用。如頻段太低，會導致天線尺寸太大，以致難以進行工程實施。
相對於普通MIMO技術，大規模MIMO帶來如下好處：
（1）通道容量大幅增加。
如前所述，當接收信噪比和通道頻寬一定時，MIMO系統的容量隨發射天線個數和接收天線個數中最小值的增加而線性增加。因此，大規模MIMO技術的使用，必然會大大提高通道容量。當然，在實際的系統中，由於各方面複雜因素的影響，會導致容量增加的幅度小於理論值。
圖6是針對16通道、32通道、64通道和128通道大規模MIMO系統性能的模擬對比結果。
圖6：不同通道數的大規模MIMO系統性能對比
（引自網路文獻）
根據中國移動研究院給出的資料，在實際5G系統中，大規模MIMO技術對容量的提升效果如下：
表2 大規模MIMO技術對5G小區容量的提升
（2）波束更窄，能量效率更高，系統內干擾更低。
由於普通的MIMO技術天線數量較少，故其波束較寬；而大規模MIMO技術由於其天線數量較多，故其波束較窄，使得能量更集中於有效的空間內，小區間和使用者間的干擾更小。
（3）可實現三維波束賦形。
普通的MIMO技術只能在水平方向集中能量和調整波束指向，無法將垂直方向的能量集中於使用者終端。而大規模MIMO技術由於其天線分佈在水平和垂直兩個方向，故其波束方向可以在水平和垂直兩個方向調整，形成3D波束，因而大規模MIMO又稱為3D-MIMO。
在高層樓宇較多的地區，大量的使用者分佈於不同高度的樓層，大規模MIMO這種在垂直方向調整波束指向的特點可以得到充分的利用，使得網路對樓宇內使用者的覆蓋質量得以加強。
圖8 大規模MIMO可實現3D波束賦形，利於樓宇覆蓋
大規模MIMO技術雖然有諸多的優點，但也有一些不足之處：
（1）演算法複雜度大大提高。
由於天線數量龐大和小區內使用者數量的增加，使得準確獲取通道資訊的難度大大增加，需要更為複雜的演算法來實現下行波束賦形。
為了實現最佳的波束賦形，基站需要不斷地獲取通道的相關資訊。在FDD系統中，這就需要為下行鏈路參考訊號分配大量的資源，使得基站可以及時從使用者終端獲取下行通道的質量報告。
在TDD系統中，由於上下行使用同樣的頻點，上下行通道具有互易性，所以基站可以透過測量上行通道的質量，來獲取相關的資訊用於下行通道賦形，MIMO的實現簡單了許多。
因此，目前大規模MIMO大都用於TDD系統。
（2）天線數量的增加導致天線與基站之間的饋線數量大大增加。
饋線數量的增加使得基站的工程實施難度增大。為了解決這一問題，在大規模MIMO系統中，需要將基站的射頻部分與天線整合，不再使用饋線。
作為一種有效提高通道容量的手段，大規模MIMO技術已經在4G和5G網路中得到了應用。
隨著4G網路的發展，網路的資料流量不斷上升。特別是在一些熱點地區，既有的4G基站容量難以滿足業務需求。因此，3GPP在3GPP R13中引入了大規模MIMO技術，支援水平和垂直方向的波束賦形，稱之為FD-MIMO（Full Dimension MIMO）。
2016年，中國移動開始在4G網路中開展大規模MIMO的試驗，並取得了較好的效果。2017年開始在4G現網部署大規模MIMO技術。
根據在4G網路的測試結果，當用戶越多、網路負荷越重時，大規模MIMO對基站容量提升的效果越明顯。
（資料來源於網路）
在5G網路中引入大規模MIMO技術，除了提高通道容量的原因外，還有另外一個重要的因素，就是加強5G基站的覆蓋能力。
我們知道，5G的工作頻段較高，隨著無線頻率的提高，路徑損耗相應增大，對於建築物的穿透損耗也加大。並且，當頻率超過10GHz後，無線電波的繞射能力大大減弱。這些特點導致5G基站的覆蓋半徑大大縮短。
與此同時，高頻段也帶來一個優勢，就是天線尺寸大大縮小，因而可以在一個較小的空間裡，整合較多數量的天線，這非常利於大規模MIMO系統的實現。而大規模MIMO系統可以生成高增益的窄波束，能在一定程度上彌補5G基站覆蓋能力弱的缺點。因此，在5G系統中引入大規模MIMO技術成為一種理所當然的選擇。
在5G網路中，大規模MIMO的通道數可達到256通道。為了提高系統的魯棒性，3GPP R15同時支援大規模MIMO的開環傳輸和閉環傳輸方式。在通道資訊獲取方面，R15支援2種CSI（Channel State Information）反饋方式：Type I和Type II。Type I反饋是利用波束選擇原理，Type II反饋是利用波束組合原理，其效能增益比Type I大，但反饋開銷明顯增加。
在5G網路中，大規模MIMO系統產生的波束更窄、精確度更高，這一特性帶來高增益和低干擾的同時，也對波束的管理提出了更高的要求。在R15中，將波束管理過程分為波束訓練和波束追蹤，分別在終端的初始接入階段和資料傳輸階段對波束進行賦形和追蹤管理。
3GPP R15基本完成了5G NR對大規模MIMO要求的內容，在後續的R16還將進行進一步的完善和增強，以提高系統性能、降低時延和開銷。