5G中MIMO技术的分析及应用

5G中MIMO技术的分析及应用

张增栋

山东中移通信技术有限公司 山东济南

摘要：MMO技术是近三年来迅速发展起来的一种新型技术，它通过大幅增加通讯天线数目，采用时分双工通信方式实现了前所未有的频谱利用率。而大规模MIMO技术是MIMO技术的延伸，其传输速率和能源利用率得到了极大的提高。本文着重对5G背景下MIMO技术的标准化现状、大规模MIMO技术的特点和面临的技术难题进行了深入的分析。

关键词：5G；MIMO技术；应用

引言

多输入多输出（MIMO）技术在近十年来得到了广泛的应用，在不增加带宽和功耗的情况下，极大地改善了无线通信系统的频谱利用率。随着移动终端的广泛使用和对新业务的需求的增加，对移动通信的传输速率的需求持续呈现指数式的增长，因此，今后的移动通信需要满足下列几个方面：（1）在相同的时间、频率资源上提供更多的用户；（2）提高了频谱利用率，提高了通讯可靠性；（3）降低了功率消耗。由于服务于更多的用户，会造成更多的干扰，对系统的可靠性造成一定的影响，同时更高的数据率要求更高的功耗，以上需求相互矛盾，很难实现。

1传统MIMO技术

MIMO技术是3G、4G通信中必不可少的技术，5G是随着无线通讯技术发展而出现的。MIMO系统在提高无线覆盖率和提高频谱利用率等方面进行了革新。在发送端由m个发射天线发送，在接收端配置n个接收天线[1]。

1.1单用户MIMO技术

MIMO是一种点到点的通信技术，它是由单用户MIMO（SU-MIMO）实现的。在实际应用中，SU-MIMO的发射、接收均采用多多根天线实现无线通讯，在实际应用中，如果发射和接收多个天线不具有相关性，则必须保证邻近天线的间距比载波波长大，而对手持式移动终端来说，由于其物理大小和多个天线的位置不相关，从而使SU-MIMO系统的实际增益受到限制。

1.2多用户MIMO技术

实际的无线通讯系统常常是一个基站（BS）与多个移动终端（MS）同时进行通讯，因而产生了多用户。

2大规模MIMO技术

2.1大规模MIMO技术分析

相关的研究显示，在小区内的基站天线数目接近无限时，各使用者的信道会呈现出正交趋势，而加性高斯白噪声、小尺度衰落等负面效应可以被忽略，而在其它小区，由于使用同一导频序列的使用者，因此，系统的吞吐量要比常规MIMO系统提高一个量级。随着天线阵的不断增大，MIMO系统呈现出与常规MIMO不同的新特点。

2.2大规模MIMO技术优势

2.2.1随机变化的特性趋于确定

传统MIMO系统中，发射、接收两方所构成的通道具有自身的特点，且彼此间的相关性不强[2]。但是，当天线数量达到无限的时候，这些随机的信道矩阵就会发生变化，从而使整个系统的计算变得简单。此外，天线阵的光圈尺寸愈大，精度愈高。

2.2.2降低用户间干扰及不相关性

基站端天线数目越多，用户间的信道就越接近正交化，而在基站天线数目接近无限时，一般会对系统的性能造成很大的影响。在减少干扰时，可以利用大量的天线，提高有效信号的功率，提高信干比，减少干扰。

2.2.3降低用户上行发射功率

大规模多天线系统也可以减少用户发送上行数据所需要的能源。已有研究表明，当维持相同的数据吞吐量时，基地台天线数目M的增大与使用者的上行资料传送平均功率的减少呈正比例。

2.2.4系统性能主要受限于导频污染

虽然MIMO系统中的导频污染并不是MIMO的独有现象，但其效果要比MIMO系统更加明显。在同一导频序列中，由于邻近单元之间重复使用同一导频序列，会导致系统性能受到一定的限制。为了减少导频干扰，一些学者建议采用偏移导频序列。尽管不同的蜂窝单元采用了同样的导频序列，但在帧内的邻近单元间的导频序列不会彼此重叠。该方法可以避免由于导频复用造成的导频污染，即便是全部用户都在同一时间进行上行传输。

目前已有学者提出了一种基于大天线的信道估计均方误差（MSE）特性，即在基站天线数目较大的情况下，导频长度对系统性能的影响不大，并提出了采用区-维网络减小导频干扰的导频功率控制策略，提高了各小区的下行通达率和传输性能。

2.3香农公式下的MIMO技术分析

在MIMO系统中，采用多天线技术，并具有多个发射、多个接收天线，其优点是显而易见的。接下来，从香农公式出发，对大型天线技术的优点和增益源进行了论证。

（1）实现空间复用：大从另一个角度来说，尺度天线技术可以改善香农方程的变数B。大规模MIMO系统中，由于信道间的非相关性，使得多个数据流可以在同一时间频率下，在不同的空间中进行传输，从而可以使带宽B得到几十倍的扩展，从而极大地提高了频谱利用率。

（2）提升信噪比：采用波速赋能技术实现天线的方向定向，增强了信号的强度，使香农公式的S/N值得到了改善。提高信噪比是5G高波段通讯的关键，它可以有效地解决高波段通信中信号衰减速度过快的问题，同时也可以极大地减少传输时延。

（3）降低发射功率，硬件成本降低：由于多个发射天线的信号叠加，使得每个天线的传输功率都很低，从而有效地降低了网络的干扰

[3]。

3大规模MIMO的技术挑战

MIMO技术是当前移动通信中具有最大容量潜力的技术。然而，从系统的设计和工程实施两个方面来看，还有许多亟待解决的关键技术问题。

信道模型:每一种无线通讯系统都必须建立一套对应的系统模型，以供比较和评价。在大规模MIMO系统中，由于阵列孔径有限，现有的线性阵列已不能满足要求，可能要扩展到三维空间。目前对MIMO通道进行理论建模和实际建模的研究还很少，目前尚无一种被普遍接受的通道模型。

有源集成化天线:波束成型技术要求将有源器和天线阵子有机地结合在一起，从而形成一个高度集成的有源天线。这对天线系统的结构、尺寸、重量、散热、级联和维修都有很大的影响。尤其是在天线共用上，MIMO技术不能与2G、3G以及已有的系统共用天线。在天线资源有限的情况下，这种天线形式是否能够顺利地实现商业化，存在着一定的危险。

随着技术的不断发展，人们对MIMO技术在5G领域的应用越来越有希望。可以预见，MIMO技术将会是5G与已有的通信系统相区分的关键技术。

4大规模MIMO技术对5G系统的影响

MIMO技术的广泛应用必将对5G的发展产生巨大的冲击。本文将从天线单元数、TDD/FDD工作模式、天线频段等几个角度来阐述它对5G的影响。

天线单元数量：MIMO系统的容量随着接收端天线数目的增加而增加。理论上来说，天线的数量越多，传输通道的自由度就越高，性能也就越好，系统的容量也就越大。但是，在现实中，天线的数目不能随意增加，因为其它的物理条件，例如，能量消耗，硬件系统越来越复杂。有关的研究表明，在实际应用中，天线数目越多，系统的容量就越稳定。

TDD/FDD模式：当前大多数5G系统都采用TDD方式，这与信道估计的代价有关。在TDD系统中，上行和下行均采用同一波段，由于信道的互易特性，仅需估计上行链路的信道。而在FDD通道中，由于上、下两个波段所使用的频带存在着不同的CSI，所以必须对它们进行单独的信道估计。但如果天线的数目再多一些，那么下行信道的计算就会变得非常复杂。与此同时，业内也证实了，在毫米波段，信道估计的代价将会大大减少。在以后的发展中，可以将MIMO与FDD技术有机地结合起来。

天线频段：5G系统中，由于使用了更宽的频带，可以极大地提高系统的容量和频谱利用率。然而，毫米波的传播并不符合瑞利信道衰减模式，它更趋向于距离传播和短距离传播。此外，毫米波还会使多普勒偏移更大。

5结论

MIMO技术已经发展到一定程度，但其性能仍有一定的局限性。目前，MIMO系统中的导频污染已经成为一个“瓶颈”，但仍有许多问题需要解决。在大规模MIMO的基础上，本文着重讨论了MIMO技术标准化的过程，MIMO的性能特点，以及MIMO技术面临的技术难题。

参考文献

[1] 孙鑫婧,王芳. MIMO技术在5G移动通信阵列天线建模中的应用分析[J]. 长江信息通信,2022,35(4):200-203.

[2] 张叶江,杨晓康,张婧,等. Massive MIMO技术在5G网络优化中的应用研究[J]. 数字通信世界,2021(8):3-4,13.

[3] 李晓静,陈贺,杨东. Massive MIMO关键技术及其在5G网络性能提升中的运用[J]. 网络安全技术与应用,2021(3):73-74.