5G多输入多输出技术,到底是个啥东东?

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本文作者|历天一

摘要:多输入多输出技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量。

多输入多输出技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量。它能充分利用空间资源,通过多个天线实现多发多收,在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,可以成倍的提高系统信道容量,显示出明显的优势、广泛应用于第四代移动通信。

多输入多输出技术不断发展,由最初的最多8根天线拓展到最多可达256根天线,就形成了大规模多输入多输出技术(LS-MIMO),最早由美国贝尔实验室研究人员提出,研究发现,当小区的基站天线数目趋于无穷大时,加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计,数据传输速率能得到极大提高,是第五代移动通信技术中提高系统容量和频谱利用率的关键技术。让我们先从如下两方面来做下简单直观的理解:

(1)天线数量

传统的时分双工网络的天线基本是2天线、4天线或8天线,而大规模多输入多输出技术指的是通道数达到64/128/256个。

(2)信号覆盖的维度

传统的大规模多输入多输出技术称之为2D-MIMO,以8天线为例,实际信号在做覆盖时,只能在水平方向移动,垂直方向是不动的,信号类似一个平面发射出去,而大规模多输入多输出技术,是信号水平维度空间基础上引入垂直维度的空域进行利用,信号的辐射状是个电磁波束。所以也称为3D-MIMO,这一点在后面会详细讲述。

每一项技术的实现都要靠相应的硬件来支撑,我们很容易知道需要在基站侧配置更大规模的天线阵列,当然,这也将耗费更多电能,无论是基站,还是用户端。

大规模多输入多输出技术在第五代移动通信技术上应用较为成熟,让我们一起来探究一下。

5G可以使用低于6GHz的低频频段,但低频频段的资源有限,而5G对带宽的需求量又很大,因此大部分5G网络会部署在高频频段,即毫米波频段。在为5G寻找合适的技术时,这一特征很关键。

从无线电波的物理特征来看,如果我们使用低频频段或者中频频段,我们可以实现天线的全向收发,至少也可以在一个很宽的扇面上收发。但是,当使用高频频段(如毫米波频段)时,我们别无选择,只能使用包括了很多天线的天线阵列。使用多天线阵列的结果是,波束变得非常窄。那么回到刚才,为什么在毫米波频段,我们只能使用多天线阵列呢?

根据功率传输方程,考虑到攻防技术的极限限制以及国家无线管委会的规定,无法增大无线发射功率Pt,受限于材料和物理规律,无法直接无线提高天线增益Gt、Gr,而缩短手机与基站距离R,意味着修建更多基站,从运营商的角度来说不可行,而增加波长λ意味着使用资源有限的低频段,这对带宽需求很大的5G来说不可行,要提高我们想要的接收天线功率Pr似乎无路可走。

唯一可行的解决方案是:增加发射天线和接收天线的数量,即设计一个多天线阵列。事实证明效果提升显著,很有趣地是这个现象构成了黑格尔辩证法的一个关键哲学原则的完美例子,即“量变导致质变”。

这也是大规模多输入多输出技术的基础,相比于传统单天线通信方式,大规模多输入多输出技术下,基站侧有多根天线,通过波束赋形自动调节各个天线发射信号的相位,使其在接收端形成电磁波的有效叠加,产生更强的信号增益来克服损耗,从而达到提高接受信号强度的目的,根据特定场景自适应调整天线阵列的辐射图,相比于传统的大面积覆盖,波束赋形可以智能地汇集能量到目标上,并可以根据目标数量构造专门的传输通道。这里需要强调的是系统必须用非常复杂的算法来找到目标的准确位置,否则就不能精准地将波束对准这个目标。因此,我们可以知道波束管理和波束控制对大规模多输入多输出技术是非常重要的。

实验研究显示,天线的数目越多,规模越大,波束赋形作用越明显,天线阵列从一维扩展到二维,波束赋形发展成了多面手,可以同时控制天线方向图在水平方向和垂直方向的形状,演进为3D波束赋形,将信号更加精准地指向目标用户,并能跟随目标移动,保证信号稳定性。

通过大规模天线阵列在发射端和接收端将更多天线聚合进行密集组合,3D波束赋形将每个信号引导到终端接收器的最佳路径上,提高信号强度,减少干扰。让我们回到上面提到的功率传输方程,基于波束赋形技术的大规模多输入多输出技术通过整理天线波束来提高发射天线增益Gt,达到了提高接收信号强度Pr的目的,从而保证了跟随目标的同时,信号强度的稳定。实际应用中,发现在追求高速移动数据速率和大信道容量的5G时代效果很好,可达到更好的性能。

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