李志 刘炎东 胡健 白波
中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司 黑龙江哈尔滨 150000
摘要：Massive MIMO是第五代无线通信系统发展的现实需求，也是解决毫米波带来的频谱资源紧张的问题的有效方法，更是5G通信技术演进中重要的方向之一。本文主要介绍了Massive MIMO原理、关键技术、性能优势、同时分析Massive MIMO应用前景。
关键词： MU-MIMO；MU-BF；系统容量；频谱利用率；阵列天线
1 引言
5G时代与2G/3G/4G代通信技术不同，移动互联网和多媒体行业的应用场景需求在5G中将呈现更加多元化，峰值速率不在是唯一性要求，不同的户体验速率，海量的连接数，超低时延，超高的可靠性，超高能量效率等都将会做为5G系统设计的衡量标准的备选，大规模MIMO技术作为未来5G通信系统发展中具有发展方向， Massive MIMO则是通过大量增加发射天线的数量来达到充分的利用空间维度资源的目的。
2 Massive MIMO原理
Massive MIMO（大规模天线技术，亦称为Large Scale MIMO）[3]是第五代移动通信（5G）的关键技术之一，Massive MIMO使用类似雷达的阵列天线，可以在水平和垂直两个维度动态调整信号方向，因此信号能量更集中、方向更精准，降低小区间干扰，可以支持更多用户在相同的资源上并行传输（空间复用），从而达到提升小区吞吐量及边缘用户速率的效果。
Massive MIMO系统中，基站配置大量的天线数目通常有几十，几百甚至几千根，是现有MIMO系统天线数量1-2个数量级以上，而基站所服务的用户设备（UE）数目远少于基站天线数目；基站利用同一个时隙资源同时服务若干个UE，充分发掘系统的空间自由度，从而增强了基站同时接收和发送多路不同信号的能力，大大提高了频谱利用率，数据传输的稳定性和可靠性.
3 Massive MIMO关键技术
3.1 上行MU-MIMO
MU-MIMO（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，多用户-多输入多输出）将用户数据分解为多个并行的数据流，在指定的带宽上由多个天线同时发射，经过无线信道后，由多个天线同时接收，并根据各个并行数据流的空间特征，利用解调技术，最终恢复出原数据流。
3.2 下行MU-BF
Massive MIMO的波束赋形和传统的波束赋形不同，不是波束直线指向用户终端，它是通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，从而获得明显的阵列增益。
Massive MIMO的波束赋形可以从多个角度指向终端，信号预处理算法可以为波束选择最佳波束路由，可以精确协调下将数据流经由障碍物反射路径发送到指定用户。
4 Massive MIMO性能优势
?Massive MIMO系统的空间分辨与现有MIMO系统相比显著提高，它能深度挖掘空间维度资源，使得基站覆盖范围内的多个用户在同一时隙资源上利用大规模MIMO提供的空间自由度与基站同时通信，通过垂直面和水平面进行立体赋型，赋型增益为2.5～5dB，系统容量显著提升大规模MIMO可以使容量增加10倍以上，同时，将辐射能量效率提高100倍，从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率。
?Massive MIMO系统可形成更窄的波束，可以将能量集中在很小的范围内，从而能够增强鲁能性，有效地抑制多个用户间干扰，使基站与UE之间的射频传输链路上的能量效率更高，减少基站发射功率损耗。3D赋形和信道预估技术可以自适应地调整各天线阵子的相位和功率，显著提高系统的波束指向准确性，将信号强度集中于特定指向区域和特定用户群，在增强用户信号的同时可以显著降低小区内自干扰、邻区干扰。
?Massive MIMO技术可以通过想干合并增加天线孔径，降低上行和下行发射功率，从而提高能力效率，符合当前绿色通信的发展需求[1]。
?Massive MIMO 技术在基站收发信机上使用大数量（如 64/128/256 等） 的阵列天线实现了更大的无线数据流量和连接可靠性。相比于以前的单/双极化 天线及 4/8 通道天线，大规模天线技术能够通过不同的维度（空域、时域、频 域、极化域等）提升频谱和能量的利用效率。
5 Massive MIMO应用前景
第五代通信技术（5G）的三种典型场景：增强移动宽带的场景（eMBB）、低时延与高可靠的场景（URLLC）、海量低功耗机器类型通信场景（mMTC）。其中大型场活动场馆、密集商务区、高校、高铁站、地铁站、机场、高穿损的密集城区带来的超高话务量干扰大，高层覆盖不足，民绕严重站址选择难等是主要问题的挑战。而大规模天线阵列呈现多天线形态，实现了三维波束赋型和多用户资源复用，提升覆盖能力和系统容量，下行MU-BF可以解决“高话务”难题；接收分级与用户级波束跟踪可以解决“高干扰”问题；自适应的3D波束赋形[2]可以应对“高层覆盖”问题；上行MU-MIMO可以打破传统天线“上行受限”的难题；而硬件上的高集成、高规格与灵活安装可以解决“站址难”的挑战。
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图1.Massive MIMO特殊应用场景图
6 总结
Massive MIMO是第五代通信技术（5G）关键技术之一，通过在其基站侧配置数量庞大的天线阵列,充分发掘系统的空间自由度，增强了基站同时接收和发送多路不同信号的能力，大大提高了频谱利用率，数据传输的稳定性和可靠性,,可以在水平和垂直两个维度动态调整信号方向，因此信号能量更集中、方向更精准，降低小区间干扰，可以支持更多用户在相同的资源上并行传输, 从而达到提升小区贪图两及边缘用户速率的效果,
参考文献：
[1] 李兴旺，张辉 5G大规模MIMO理论、算法与关键技术[M].北京：机械工业出版社，2017：8
[2]（瑞典）Afif Osseiran，（西）Jose F.Monserrat，（德）Patrick Marsch 5G移动无线通信技术[M].北京：人民邮电出版社，2017：351
[3] 陈鹏，刘洋 5G关键技术与系统演进[M].北京：机械工业出版社，2017：33