Massive MIMO：打通5G第一关

王欣

TDD MM开启商用 FDD MM仍在测试

Massive MIMO作为5G关键技术，能够提升频谱效率达到提升基站容量的作用，我国三大运营商、设备商都十分重视其发展。

中移动凭借TDD制式的先天优势在发展Massive MIMO的路上一骑绝尘，并决定今年在热点区域部署Massive MIMO，同时电信、联通也在今年加紧对FDD Massive MIMO的研发。

不仅运营商撸起袖子加油干，产业链也十分给力。华为、中兴、爱立信、诺基亚、大唐等设备商均推出Massive MIMO解决方案，并積极与运营商开展外场验证工作。

MIMO的不断嬗变

“Massive MIMO技术能够极大提升5G系统性能，运营商、设备商都十分关注Massive MIMO技术。可以预期，Massive MIMO有希望成为最先部署的5G技术。”一位不愿具名的专家在接受《通信产业报》（网）记者采访时表示。

但是，如此巨大利好的5G关键技术其实并不是一项新技术。一般将Massive MIMO定义为采用了MIMO（Multiple Input Multiple Output）和波束赋形技术的大规模多天线系统。

MIMO就是在基站侧和终端侧部署多根天线，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，增强信道容量，提升信号质量。而波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术，就是可以将多根天线产生一个具有指向性的波束，将信号集中到欲传输的方向，增强信号质量，减少干扰。所以，Massive MIMO不仅可以补偿传播损耗，还能够扩展覆盖范围，发送多个数据流连接多个用户，提升用户速率。

MIMO技术和波束赋形技术对于广大通信工作者来说并不陌生。早在3GPP规定的LTE Rel-8版本就将LTE设计了MIMO和波束赋形功能，那时给基站侧定义了4根天线，并支持单流波束赋形技术，但并不能称为“大规模”。

在随后的LTE-Advance Rel-10版本中，继续增强MIMO性能，实现新的码本和反馈设计以支持具有多达八个独立流的空间复用和增强的MU-MIMO。

而在最近发布的LTE Rel-13标准中，3GPP研究了在基站侧具有64个天线端口的更高阶MIMO系统，并引入3D MIMO功能，支持垂直波束赋形。

不仅是标准不断增强、试验成果也在不断革新。据了解，在仿真试验中，在基站侧部署128天线的Massive MIMO基站，其吞吐率可达到传统的8天线TD-LTE基站的4-6倍，能够帮助运营商最大限度利用已有站址和频谱资源满足高速增长的数据业务需求。可以预见的是，随着技术和产品不断成熟，未来运营商会对Massive MIMO技术提出更高的要求，Massive MIMO技术必然会继续嬗变。

TDD Massive MIMO：今年商用

“今年，中国移动计划全网热点区域分阶段正式商用Massive MIMO。”中国移动研究院副院长黄宇红在接受《通信产业报》（网）采访时表示。

中国移动可以说是全球最早启动和推进Massive MIMO技术的运营商。从2011年开始，中国移动就启动了MassiveMIMO技术研究、性能评估和产品设计。2013年，联合国内华为、中兴等企业完成Massive MIMO的原型样机开发和性能验证，并且主导启动Massive MIMO增强功能的标准化工作。2015年，完成预商用产品外场性能验证。2016年，在北京、杭州等城市率先进行的商用试点，结果显示，在现阶段的极热点区域，MassiveMIMO相比传统8天线宏站能带来1.5到2.5倍的频谱效率提升，并且可进一步激发用户需求。同时，联合厂家发布全球首款2.6GHz三载波Massive MIMO商用产品。而今年，中国移动计划在全网热点区域分阶段正式商用Massive MIMO。

同时，中国移动还计划分三阶段增强Massive MIMO技术。第一阶段，在2017年充分利用TDD技术特有优势商用Massive MIMO第一个版本产品，现有4G商用终端可以直接获益。第二阶段，2018年-2019年由Massive MIMO基础版本产品软件升级至增强版本，可进一步提升20%的系统性能。第三阶段，2020年，根据需要将Massive MIMO增强版本软件升级至5G。同时，引入支持5G新空口的全新形态产品。

FDD Massive MIMO：开启验证

不难发现，早在2015年，中国移动就完成了全球首个基于LTE-TDD网络的Massive MIMO预商用外场验证。但在2016年底，FDD Massive MIMO才开始进入验证阶段。

显而易见，相对于TDD Massive MIMO 的高歌猛进，FDD Massive MIMO的发展却相对落后。

之所以FDD Massive MIMO发展难度较大是因为TDD和FDD信道特点不同。TDD是上下行工作在同一频段，所以可以根据上行信道的状况估计下行信道，从而获取信道信息。但是，FDD获取信道信息却麻烦得多，因为FDD上下行工作在不同频段，所以只能等到接收端信息反馈之后，才能得到信道信息。

中国联通网络技术研究院李福昌在撰文中表示，FDD Massive MIMO技术受限于信道测量，需要更加复杂的信道估计和预编码，由于各场景无线环境差异较大（如移动环境等），需要针对信道估计和预编码算法进行不断完善和优化。

“在信道信息获取方面，TDD具有先天优势，FDD则面临更大的技术挑战。”中国电信技术创新中心副主任杨峰义在接受《通信产业报》（网）记者专访时表示。

虽然，FDD Massive MIMO发展较晚且面临诸多挑战，但是中兴、华为都研发了FDD Massive MIMO产品，而其他设备商也在加紧研发，同时中国电信和中国联通均已基于FDD网络的Massive MIMO验证。

据了解，去年12月，中兴发布首个基于FDD-LTE制式的Massive MIMO解决方案，并与中国联通集团福建分公司在泉州创新基地完成了外场验证， 并实现提升小区吞吐量3倍以上。

同时，今年1月，华为也与联通在上海完成基于FDD-LTE制式的Massive MIMO技术的外场验证，在20MHz频谱上，使用Rel-8版本的两天线接收终端，实现网络峰值速率697.3Mbps，比传统FDD LTE提高4.8倍。

“在2016年底和2017年初，中兴和华为均发布了FDD Massive MIMO商用样机，并与中国电信、中国联通完成了初步测试，单站初步测试结果表明，FDD Massive MIMO可有效提升小区吞吐量3倍以上。”杨峰义表示。

Massive MIMO的外场验证已经开始。据媒体披露，中国联通今年计划开展FDD Massive MIMO的外场商用试验测试，并选取两三个试点城市进行验证。

TDD Massive MIMO：三点挑战

虽然TDD Massive MIMO技术研发较早且较为成熟，但任何一个技术的商用之路都并非坦途，TDD Massive MIMO技术仍然面临支持的频率有限、设备成本高、需提升设备集成度的挑战。

“TDD Massive MIMO技术仍然存在三点挑战。首先，设备价格偏高，影响产业规模化发展，希望产业各环节共同来努力，让Massive MIMO具备规模化发展能力。其次，设备集成度仍需改进，需要进一步降低体积和重量。最后，应用在更低频段（1.9GHz）仍有挑战，需要推动器件进一步成熟。”黄宇红表示。

针对TDD Massive MIMO带来的挑战，黄宇红提议，首先要通过MassiveMIMO逐渐规模商用，持续推进元器件和芯片产业的成熟，进一步降低Massive MIMO设备成本和体积重量。其次，持续推进Massive MIMO技术演进，推动Massive MIMO端到端產业成熟，提前按照5G指标对Massive MIMO基站设备硬件部分进行要求，实现LTE Massive MIMO可通过软件升级平滑演进至5G。

FDD Massive MIMO：挑战更大

光从先天条件就败下阵来的FDD Massive MIMO要想商用自然面临更大的挑战。诚然，FDD Massive MIMO要想商用也必须跨过设备体积偏大、部署难度大、设备成本偏高的坎。

李福昌表示，FDD Massive MIMO目前尚处于研发阶段，核心产品和算法都需要优化完善，不仅和TDD Massive MIMO一样面临需要提升设备集成度和降低设备成本的挑战，同时还需要进一步提升终端成熟度。

他表示，FDD Massive MIMO在产品实现上大多采用RRU+天线集成的方案，且都采用大规模天线系统，在带来更高增益和性能的同时，设备重量和体积也远高于普通基站，因此在实际部署中面临承重大、抗风大等诸多挑战，所以日后还需继续提高产品集成度，使产品更加小型化。同时，其设备成本仍然偏高。

除此之外，终端成熟度是FDD Massive MIMO需要独自面临的挑战。因为TDD Massive MIMO不需要终端升级支持，而FDD Massive MIMO需要终端支持TM9。但是目前现网支持TM9的终端比例低于4%，这就表示缺乏足够的TM9用户形成MU-MIMO，有效提升频谱效率。

无独有偶，杨峰义也表示，FDD Massive MIMO面临五方面的挑战。第一，为形成多用户波束，信道信息的获取必须及时准确。FDD Massive MIMO技术需要克服在信道获取开销、精度方面技术挑战。第二，基站和终端的产业链挑战。第三，RRU和天线一体化设计会带来测试挑战。第四，Massive MIMO阵子数目庞大，会带来产品体积增大问题，低频点FDD在体积、重量方面存在部署挑战。第五，规模组网下，考虑小区间干扰、控制信道覆盖、波束管理时的组网性能挑战。

针对这些问题，目前中国电信正持续开展研究与验证模块化Massive MIMO、虚拟扇区化等解决方案，克服FDD Massive MIMO技术难题、推动FDD Massive MIMO商用。