5G中MIMO技术分析及应用

朱翔宇

摘 要：多输入多输出天线技术是无线移动通信领域的重大突破，在不增加带宽的情况下，MIMO技术成倍的提高了通信质量和频谱利用率，是新一代通信系统必备的关键技术。在5G的建设中，大规模MIMO技术是一项关键技术，它解决了过去传统天线技术信道容量低的问题，提高通信系统的容量，所需成本低，整个系统地顽健性强。MIMO技术因其覆盖能力强而成为5G采用的关键技术。

关键词：MIMO；大规模MIMO天线

一、多输入多输出天线技术（MIMO）

MIMO技术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、被视为下一代移动通信的核心技术。

MIMO技术经历了从最初的点到点通信，到单小区多用户MIMO，再到多小区MIMO的发展历程。点对点单用户MIMO由于在实际中天线数目是受限制的，所以信道容量不可能无限制增长。多用户MIMO利用天线空间的自由度实现多用户分离，其核心思想就是在尽可能地提高用户接收功率的同时，降低不同用户之间的干扰。MIMO技术之所以在4G系统中广泛应用，主要是因为MIMO技术通过利用收发两端配置的多根天线，可以充分的利用空间资源，成倍的提高系统信道容量。一方面，多根天线的应用可以形成分集效应，用来对抗多径效率及平坦性衰落，从而提高系统的顽健性，利用空间的自由度提高单位时间内的信息传播量，间接地提高频谱资源的利用效率。大规模MIMO技术，又称大规模天线阵列，指在收发两端装备超大数目的天线以发送和接收信号，从而使通信系统可以在相同的时频资源块上同时服务数十个用户。

二、大规模MIMO技术的优势

大规模MIMO能够提高系统容量及能量效率，主要特点是在基站侧装配了大量的天线，可以在基站和用户之间形成多条独立传输的数据链路，因此，可以获得更大的空间复用增益。在系统传输功率一定的情况下，每一根天线分配到的功率更小，所以可以利用天线之间的相互作用，通过波束赋形将传输数据发送到指定的用户区域，降低了能源损耗。基站侧利用多根天线向同一用户发送相同的数据，目标用户端对接收到的不同数据流的信号进行相干叠加以增加期望信号强度，从而使得其余用户端接收到的不同数据流的干扰可以相互抵消，降低干扰的影响。由此，系统的能量效率得到极大提升。

大规模MIMO系统的硬件设备成本低，易于在实际应用中推广。天线数目增加使系统对单根天线的精确度要求降低，从而使得需求器件的造价下降。同时，由于天线数目的增加，单根天线上的功率远远小于传統MIMO，所以可以使用廉价的功率放大器代替传统的高功率放大器。一方面，信号发射功率较小，直接降低了基站功耗；另一方面，基站辐射功率较小也可以减小基站对周边环境的电磁辐射，降低对周边生物的影响。

大规模MIMO提高系统的顽健性，采用大规模天线阵列，通常可以利用多根天线为同一用户进行服务，因此可以利用多径效应，在接收端利用信号合并对噪声、干扰、硬件噪声等进行平均化，从而消除传输过程中各种不确定性的影响，也可以避免人为故意干扰，整体上提升信息传输的可靠性和有效性。同时，传统MIMO系统对于射频链路的线性特征及放大器精度要求极高，往往系统某一部分的故障会导致系统整体崩溃。而大规模MIMO中天线单元众多，部分的故障不会对整体的性能产生影响，系统的顽健性比传统MIMO要高得多。

三、大规模MIMO天线

大规模MIMO技术应用的关键还在于天线的设计。面向5G的大规模MIMO天线的设计要求有3点：首先是MIMO天线要能够同时实现空间复用、空间分集和波束赋形；其次是阵列天线，需要很多天线振子单元以满足大规模用户数据的同时收发要求；最后是有源天线，通过将天线振子单元、辐射功放单元、耦合振荡单元集为一体，在考虑维护和优化方面实现天线的小型化。

由于技术方面的局限性和业务需求的临时应用性，传统MIMO天线只能在空间复用、空间分集和波束赋形3个方案中，根据实际要求最大化地获取其中一种或两种增益，而无法完整发挥出三者的最佳性能。

实现空间复用的首要条件是发射天线和接收天线的振子间距必须大到可以保证收发端的各个子信道是独立衰落的不相关信道。空间分集对于天线振子的间距要求也是如此，空间分集的效果越好，决定了天线振子间距也必须足够大。在实际的天线设计中，为了满足空间复用和空间分集的技术性要求，天线振子的发射信号应具有无关性，振子间距尽可能大，而波束赋形则要求振子单元的发射信号具有相关性，振子间距保持1/2波长的整数倍，这显然是相互矛盾的。所以要充分发挥出MIMO技术的全部性能，未来5G大规模MIMO设计要首先攻克下这一难题。

对于天线振子的数目，传统MIMO的天线阵元数一般不超过8个，而未来大规模MIMO天线的阵元数目将远远超过于此。由于在实际中天线的体积不可能无限制增加。因此，5G大规模MIMO天线设计的另一要点是实现天线小型化。所幸的是，5G将更多的采用高频段的载波进行通信，这样就有利于收发反馈系统的小型化、集成化以及振子数目的大规模化。

与其说天线有源化是大规模MIMO天线的要求，不如说有源化是大规模MIMO天线主动适应发展趋势的结果。有源集成天线是有有源辐射功放集成电路与天线振子等辐射单元集成在一起形成的。传统的MIMO天线振子数量较小，天线结构简单，引入有源天线阵列不是必要的。但是对于大规模MIMO天线，有源天线阵列可以省去复杂的功率分配网络，减少额外的功率损耗，降低辐射单元的输出功率。由于有源天线阵列可直接在反馈部分实现电磁波的产生、变换、发射和接收等系统功能，天线不仅是辐射单元，还是有源电路的组成部分，双方不再是简单的级联，而是互为对方的电路部分。这就减少了中间元器件，减少了馈线连接和连接节点，使得在设计方面天线和有源电路是一个有机整体，更加便于维护、管理和优化。

四、MIMO在高速铁路中的应用

在高速铁路移动通信场景下，由于列车大部分时间都行驶在距离基站很远的地方，天线间经历的信道衰落也很相近。所以空间分集效果对于这种强相关的信道并不显著。在高速铁路场景下，列车的高速移动会使通信信道的变化很快，发送端无论是测量上行信号，还是接收端反馈获取信道信息都会造成较大的时延。当列车在距离基站较近路段运行时，基站与列车通信终端间的方位角变化又会非常快，所以基于方位角进行波束覆盖调整的DOA-BF技术可以充分利用这种通信场景的特性来形成高速铁路通信场景中的MIMO方案。

参考文献

[1]崔盛山.现代移动通信原理与应用[M].1.人民邮电出版社，2017.10.

[2]黄劲安，曾哲君，蔡子华，梁广智.迈向5G 从关键技术到网络部署[M].1.人民邮电出版社，2018.6.

[3]张海君，郑伟，李杰.大话移动通信[M].2.清华大学出版社，2015.