5G为什么采用Massive MIMO

为什么5G采用大规模MIMO？对于5G来说，大规模MIMO的主要原因是“没得选或者说没办法”。高频毫米波意味着单个天线的尺寸很小，而孔径(接收能量的面积)很小。为了克服接收端高频小孔径的问题，需要使用大量的发射天线。这将是主要的原因，但一旦我们采用大规模MIMO技术，我们可以享受到其他一些好处，将在后面描述。现在让我们更多地研究“没有其他选择”的含义。我将根据WNCG，RobertHeath教授在毫米波MIMO通信方面进行描述(我建议您查看YouTube上的演示)。让我们假设一种情况，我们有一个发射天线和一个接收天线放置的距离R，如下图所示。

如果发射天线以PTX的功率发送信号，那么接收到的信号功率是多少？如果我们假设理想条件，所接收到的功率可以表示如下。这将是非常熟悉的形式，你已经知道高中物理，所以所谓的平方逆规则。接收功率按与发射天线距离的平方成比例减小。例如，如果距离远两倍，接收到的功率会减少4倍。阵列天线将在后面描述。现在让我们更多地研究“没有其他选择”的含义。我将根据WNCG，RobertHeath教授在毫米波MIMO通信方面进行描述(我建议您查看YouTube上的演示)。让我们假设一种情况，我们有一个发射天线和一个接收天线放置的距离R，如下图所示。

听起来很简单。这个理想方程不包含任何关于频率或接收天线增益的参数。这意味着接收到的信号功率不受信号频率或接收天线增益的影响。但我们知道，从我们在无线电通信中的常识来看，这是不正确的。在现实生活中，接收到的信号功率受频率(波长)和接收天线增益的影响。如果我们对数学模型进行改进，使之包括频率(波长)和接收天线增益，该模型如下所示。根据这个方程，接收功率与波长的平方成正比。例如，假设天线增益不变，频率增加2倍(这意味着波长缩短2倍)，接收功率减少4倍。

正如我前面提到的，我们将在5G中使用更高的频率(意味着更短的波长)信号。这意味着接收到的功率将大大低于目前的通信系统。例如，如果在当前通信中使用2GHz频率，在5G中使用20GHz频率，则20 GHz的波长比2 GHz的波长短10倍。这意味着20GHz的接收功率将比2GHz的接收功率低100倍。在现实中，情况变得更加复杂，因为不仅接收天线增益，而且传输天线增益也发挥作用。如果我们把传输天线增益加到方程中，它将变成如下所示。

现在让我们想想如何克服高频接收功率急剧下降的问题。换句话说，问题是“我们如何才能使PRX更大？”从数学上讲，它很简单。您可以通过如下设置参数来获得更大的PRX。

（I）增加发射功率(PTX)

（II），减小发射机与接收天线之间的距离。

（III）增加波长(使用低频)

（IV）增加接收天线增益

（V）增加发射天线增益

在现实生活中，我们能使用所有这些选项吗？答案是“不”。让我们逐一看看这些选项，并考虑哪一种方案可以适用于现实生活。

方案一)可以在一定程度上做到这一点，但我们不能像我们想要的那样增加发射机的功率。

方案二)不可能是解决办法，因为我们不能随意改变距离。

备选方案三)不能成为解决办法。

一旦我们(类似于3GPP等标准组织和每个运营商)决定使用一定的频率，我们必须遵循它。我们不能随心所欲地改变。

备选方案四)和备选方案五)可以是可行的解决办法。增加天线增益可能不容易，但至少没有人(标准组织，网络运营商)阻止我们增加天线增益。那我们怎么才能增加天线的增益呢？设计可以增加天线的增益(例如，形状、材料等)，但由于频率的增加，天线增益的改善幅度不能达到补偿因频率增加而导致的巨大功率下降的程度。在这种情况下，几乎唯一的方法是增加天线的数量，这是使用大规模MIMO的主要动机，如下所示。

除了增加接收功率外，大规模MIMO还提供了其他几个优点。根据“面向下一代无线系统的大规模MIMO”([5])，描述了大规模MIMO的潜力(优势)：大规模MIMO可以使容量增加10倍以上，同时提高辐射能效率100倍。大规模MIMO可以用廉价、低功耗的MIMO来构建，大容量MIMO可以显著减少空中接口上的延迟(由于对衰落的鲁棒性)，大规模MIMO简化了多接入层，大规模MIMO提高了对非预期的人为干扰和故意干扰的鲁棒性。我发现了另一个很好的总结清单的动机和指控，大量的MIMO从3 GPP R1-136362([6])。假设天线相对于波长(如1/4波长、1/2波长等)有固定的天线尺寸，随着载波频率的增加，路径损耗增大。这意味着天线的绝对物理尺寸随着载波频率的增加而减小。这意味着我们可以在更高的载波频率下在同一区域放置更多的天线。基于这一事实，我们可以在不增加天线阵总尺寸的情况下，通过增加天线数目来弥补高载波频率下的高路径损耗。当载频超过10 GHz时，衍射不再是主要的传播机制。在这种频率下，反射和散射将是非视距传播链路最重要的传播机制.随着载频的增加，传播到建筑物中的穿透损耗趋于增大。这将使BSS在室外部署大量MIMO(即，在阵列中使用多个天线)时，可以实现高增益自适应波束形成，从而提高覆盖范围，减少系统中的干扰(因为波束宽度变得非常窄)。空间焦点与更多的天线，有一件事，是自动获得大量的MIMO。事实上，从天线阵列传输的大部分能量集中在非常狭窄的区域。这意味着当你使用更多的天线时，波束宽度会变窄。下面的图将给出一个例子，说明随着天线数量的增加，波束宽度缩小的效果。这一效应在同一时间内会造成优势和不平移。优点是，对于不同的用户来说，波束之间的干扰会更小，因为每束光束都集中在很小的区域，缺点是你必须实现非常复杂的算法来找到用户的精确位置，并以高精度将波束指向用户。

注：在这个例子中，我假设每个天线发射完全相同的功率，不管它是在2个天线阵还是4个天线阵。因此，你可以看到更高的峰值功率在4个天线阵。但实际上，随着天线数量的增加，它们会降低每个天线的发射功率。问题是，即使你增加了天线的数量，你也不应该增加整个阵列的总发射功率。下面是这个例子的MATLAB源代码。别把这当回事..。这只是一个玩具程序，让你对天线阵的工作原理有更全面的了解。这将不是一个精确的模型。好好玩玩吧，好好玩玩。将以下代码保存在名为Wave CosPh.m的m文件中

在与Wave CosPh.m位于同一个文件夹中的另一个m文件中运行以下代码(任何名称都可以)

下面是另一个玩具程序，它显示出二维天线阵的波束方向图(这是线性尺度，而不是分贝尺度)。你会注意到，随着阵列中天线数量的增加，波束宽度变得越来越窄。

下面是我用来绘制上面所示模式的MATLAB代码。您可以通过更改M，N值来处理代码。

下面是说明大型天线阵列如何将电磁场聚焦到某一点上。这一特殊情况显示了由此产生的归一化场强。(此示例将TRBF(时间反转波束形成)与MF预编码相结合。

结果表明：(1)场强度可以聚焦到一个点，而不是在某个方向)更多的天线可以提高对某一点的聚焦能力，有足够多的天线和良好的传播。(1)TRBF聚焦功率，通过对多个终端的空间复用获得较高的频谱效率。(2)TRBF还可以减少(或在理想情况下完全终止)符号间干扰，这意味着我们可以省去OFDM及其冗余循环前缀。每个基站天线(I)所做的处理将预定给第k终端的数据序列与他对第k终端的信道脉冲响应的估计的共轭的、时间反转的估计(和k卷积(Iii))相加到天线中。