大規(guī)模天線陣列的工作原理和應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)的說明

　　為了更有效挖掘空間自由度、更有效利用發(fā)送端能量、找到更多的分集和復(fù)用增益，現(xiàn)代通信普遍采用多天線系統(tǒng)來提高物理層鏈路性能，我們叫做多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）。通常MIMO采用空間預(yù)編碼（Precoding）的方式來補(bǔ)償物理信道，實(shí)現(xiàn)空間分集、空分復(fù)用或者空分多址： · 空間分集在不同的空間信道傳輸相同數(shù)據(jù)使等效信道更加平穩(wěn)，從而對抗實(shí)際環(huán)境下的信道衰落，使傳輸更加可靠；空間分集的使用方式有很多，可以采用空時(shí)聯(lián)合編碼、空頻聯(lián)合編碼等。 · 空分復(fù)用利用不同空間信道的弱相關(guān)性來傳輸不同數(shù)據(jù)，提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度，使數(shù)據(jù)傳輸更加有效； · 空分多址則利用多個(gè)用戶的空間位置帶來的天然信道弱相關(guān)來分別向不同位置用戶傳輸數(shù)據(jù)，提升系統(tǒng)連接數(shù)和容量，這種使用方式也被稱為多用戶MIMO（MU-MIMO）。實(shí)際上，空分復(fù)用和空分多址是MIMO系統(tǒng)對空間自由度的不同利用方式，我們可以認(rèn)為這兩種方式都是在挖掘信道的空間復(fù)用增益。自從20世紀(jì)80年代以來，MIMO在IEEE 802.11，3GPP 4G LTE/5G NR系統(tǒng)中都得到了廣泛應(yīng)用。802.11ac協(xié)議中的MIMO方法最多可以支持8個(gè)發(fā)送和接收天線（8x8 MIMO），而LTE R10/R13/R14則分別支持8/16/32基站側(cè)發(fā)送天線來構(gòu)建MIMO系統(tǒng)。雖然根據(jù)信道互易性（channel reciprocity），不論發(fā)送端和接收端都有能力采用預(yù)編碼來獲得MIMO增益，但是一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問題是，用戶側(cè)計(jì)算能力是有限的，所以在比較偏工程的研究里我們通常不同時(shí)考慮接收方和發(fā)射方的precoding問題。
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　　大規(guī)模天線陣列（massive MIMO）則是MIMO技術(shù)的天然延伸，通過把原有發(fā)送側(cè)天線數(shù)提高一個(gè)數(shù)量級（64或者128），進(jìn)一步同時(shí)提升上述提到的增益；基本上現(xiàn)在實(shí)用的massive MIMO都是在基站側(cè)部署M個(gè)發(fā)射天線對K個(gè)單天線/雙天線用戶進(jìn)行空分多址（發(fā)射天線數(shù)M要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用戶數(shù)K），通過多對一的冗余天線來提升單用戶的分集增益，并通過多個(gè)弱相關(guān)的空間信道來提升復(fù)用增益。這一目標(biāo)通過設(shè)計(jì)上述預(yù)編碼矩陣P獲得，基本上是一個(gè)凸優(yōu)化問題，在這種凸優(yōu)化問題中，我們非常強(qiáng)烈的需要確保信道已知，才能保證這個(gè)凸優(yōu)化問題是確定的而不是隨機(jī)優(yōu)化。理論上，massive MIMO除了可以提供比MIMO更多的空間自由度，也會(huì)隨著天線數(shù)的增加帶來其他優(yōu)勢： · 空間分辨率提升：根據(jù)陣列信號處理，大規(guī)模天線陣列在接收信號過程中可以被當(dāng)做集中式MIMO雷達(dá)，可以通過合成虛擬孔徑的方式獲得更多的角度分辨率。同時(shí)，發(fā)送側(cè)的mMIMO陣列也可以使信號在復(fù)雜散射環(huán)境中把波束能量匯聚到非常小的一片區(qū)域內(nèi)，從而降低對其他扇區(qū)的用戶干擾。更重要的是，因?yàn)橐痪S天線部署方式會(huì)給電路板設(shè)計(jì)帶來類似風(fēng)載、長度等挑戰(zhàn)，所以目前mMIMO系統(tǒng)均采用3D陣列部署天線，這不僅僅給了波束朝向更多調(diào)整空間，波束的發(fā)射方向也可以在水平和垂直維度上調(diào)整。此外這種3D結(jié)構(gòu)也給現(xiàn)存的信道建模帶來了挑戰(zhàn)，當(dāng)然也是信號處理新場景下的新機(jī)會(huì)，特別是有關(guān)俯仰角、運(yùn)動(dòng)估計(jì)等波束對齊問題。