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在巴塞羅那舉辦的世界移動(dòng)大會(huì)上，中興通訊Pre5G FDD Massive MIMO業(yè)務(wù)演示，采用8部終端同時(shí)接入，實(shí)現(xiàn)單小區(qū)2.6Gbps峰值速率，頻譜效率提升達(dá)到8倍。驚聞倍感吃驚，有點(diǎn)措手不及，趕緊翻開(kāi)資料補(bǔ)補(bǔ)課，于是一個(gè)不可救藥的技術(shù)宅就寫(xiě)了一篇長(zhǎng)文。
什么是Massive MIMO？
Massive MIMO就是在基站側(cè)配置遠(yuǎn)多于現(xiàn)有的系統(tǒng)的大規(guī)模天線陣列的MU-MIMO，來(lái)同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶，也稱為L(zhǎng)arge Scale MIMO。
為什么我們需要Massive MIMO？
先來(lái)復(fù)習(xí)一遍最基礎(chǔ)的無(wú)線通信知識(shí)。假設(shè)基站與手機(jī)的距離為R，基站天線的發(fā)射功率為Ptx，那么，手機(jī)天線接收到的信號(hào)功率Prx是多少呢？
在自由空間中，信號(hào)強(qiáng)度與距離的平方成反比衰減，最簡(jiǎn)單的公式是這樣的。..
這個(gè)公式告訴我們，基站與手機(jī)的距離增大到2倍，手機(jī)接收信號(hào)強(qiáng)度將衰減4倍。
不過(guò)，實(shí)際上手機(jī)接收到的信號(hào)強(qiáng)度還受頻率（波長(zhǎng)λ）、發(fā)射天線增益（Gtx）和接收天線增益（Grx）的影響。譬如頻率，從2G到4G，以至5G，移動(dòng)通信使用的頻段越來(lái)越高（波長(zhǎng)越短），信號(hào)覆蓋距離也越短。
因此，一個(gè)更完整的公式是這樣的。..
根據(jù)這個(gè)公式，想一想，如何才能提高手機(jī)接收信號(hào)強(qiáng)度呢？
答案是：
①增加發(fā)射功率Ptx
②縮短手機(jī)與基站間的距離R
③增加波長(zhǎng)（使用低頻段）
④增大接收天線增益
⑤增大發(fā)射天線增益
你會(huì)選擇哪些選項(xiàng)呢？對(duì)于①②③，由于受客觀條件限制，只能是理論上的美好想象。我們不能無(wú)限增大功率，縮短基站與手機(jī)的距離意味著建站花錢(qián)，低頻段資源是有限的。
只剩下增大天線增益了！
也許我們可以對(duì)單天線進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，不過(guò)企圖用這種方法來(lái)補(bǔ)償因高頻段和距離導(dǎo)致的信號(hào)衰減猶如杯水車薪。
唯一的辦法是增加天線數(shù)量！
想象一下，一大堆天線同時(shí)發(fā)力，多束信號(hào)疊加，不但提升增益，還可降低單天線發(fā)射功率，進(jìn)而平衡能耗和成本，而且在對(duì)抗信號(hào)衰減上更具穩(wěn)健性，還可降低時(shí)延。而對(duì)于衰減更厲害的5G高頻段，Massive MIMO更是不可或缺。
講真，我們辛辛苦苦在物理層上研究費(fèi)老大的勁也沒(méi)能提升幾個(gè)dB增益，還不如直接增加天線，效果立竿見(jiàn)影。Massive MIMO，大有可為！
說(shuō)完大規(guī)模天線，就得講講MU-MIMO了。
MU-MIMO
香農(nóng)定理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信道容量受限于基站發(fā)射功率和信噪比。
看看上面的公式，對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單用戶，你要想把頻譜效率從4bit/s/Hz 提升到8bit/s/Hz，你得增大17倍功率。
我們一直受限于香農(nóng)定理，直到MIMO出現(xiàn)。它跳出了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單用戶的框框，將單一點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道變換成多個(gè)并行信道來(lái)處理，以至于頻譜效率主要取決于并行信道數(shù)量，從而提升了系統(tǒng)容量和頻譜效率。MIMO是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，采用空間分集的方法使不同的信號(hào)在相同的頻率下同時(shí)傳送。
MIMO技術(shù)經(jīng)歷了從SU-MIMO（單用戶MIMO）向MU-MIMO（多用戶MIMO）的發(fā)展過(guò)程。
如上圖所示，（a）和（b）均屬于SU-MIMO，它的特點(diǎn)是只服務(wù)單一終端，終端受限于天下數(shù)量和設(shè)計(jì)復(fù)雜性，從而限制了進(jìn)一步發(fā)展。
而MU-MIMO將多個(gè)終端聯(lián)合起來(lái)空間復(fù)用，多個(gè)終端的天線同時(shí)使用，這樣以來(lái)，大量的基站天線和終端天線形成一個(gè)大規(guī)模的虛擬的MIMO信道系統(tǒng)。這是從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度更宏觀的去思考提升系統(tǒng)容量。
不過(guò)，這么多天線引入，信號(hào)交叉，必然會(huì)導(dǎo)致干擾，這就需要預(yù)處理和波束賦形（Beamforming）技術(shù)了。
預(yù)處理和波束賦形
波束賦形是指，大規(guī)模多天線系統(tǒng)可以控制每一個(gè)天線單元的發(fā)射（或接收）信號(hào)的相位和信號(hào)幅度，產(chǎn)生具有指向性的波束，消除來(lái)自四面八方的干擾，增強(qiáng)波束方向的信號(hào)。它可補(bǔ)償無(wú)線傳播損耗。
至于3D Beamforming，是指在三維空間（水平和垂直空間）形成傳輸信號(hào)的分離波束。
至于預(yù)處理，由于在Massive MIMO下，系統(tǒng)處于“中心基站－分散終端”的工作模式，信號(hào)傳輸發(fā)生在基站和各個(gè)用戶之間，各個(gè)用戶之間無(wú)法通信，單個(gè)用戶對(duì)其它用戶的信道情況和發(fā)送信息一無(wú)所知，所以，基站需要收集所有用戶的CSI（Channel States Information，信道狀態(tài)信息）來(lái)進(jìn)行預(yù)編碼和調(diào)度，將用戶信號(hào)進(jìn)行有效分離，從而對(duì)抗用戶間的干擾。
需要說(shuō)明的是，Massive MIMO的波束賦形和我們通常理解的波束賦形是不一樣的。它并不是波束直線指向用戶終端，而是可以從多個(gè)不同方向指向終端。信號(hào)預(yù)處理算法可以為波束安排最佳路由，它也可以在精確協(xié)調(diào)下將數(shù)據(jù)流經(jīng)由障礙物反射路徑發(fā)送到指定用戶。
這里有一個(gè)經(jīng)典的演示。
假設(shè)在一個(gè)周圍建筑物密集的廣場(chǎng)邊上有一個(gè)全向基站（紅色圓點(diǎn)），周圍不同方向上分布3臺(tái)終端（紅、綠、藍(lán)X）。
未采用Massive MIMO場(chǎng)景下，當(dāng)紅色終端和基站通信時(shí)，無(wú)線傳播路徑是這樣的。..
采用Massive MIMO場(chǎng)景下，并引入精準(zhǔn)的波束賦形后，情況就神奇的變成這樣了。..
Massive MIMO可改善能效，提升頻譜效率，也就不難理解了吧！
不過(guò)，問(wèn)題來(lái)了！
基站要精確的掌握信道信息和終端位置，要像武林高手一樣彈指間點(diǎn)中對(duì)手死穴，可不是一件容易的事。
在Massive MIMO下，基站向終端發(fā)送導(dǎo)頻（pilots），并將CSI反饋（feedback）給基站，我們會(huì)遇到兩個(gè)棘手的問(wèn)題：
（1）天線之間的下行導(dǎo)頻需相互正交，這意味著天線越多，下行導(dǎo)頻占用的時(shí)頻資源就越多。
（2）終端向基站反饋也要消耗上行時(shí)頻資源，且隨著天線數(shù)量成正比例上升，可能是傳統(tǒng)系統(tǒng)的上百倍。
由于TDD系統(tǒng)上下行使用同一頻段，可以單邊的基于上行信道狀況估計(jì)下行信道，即利用上下行信道的互易性來(lái)推斷基站到終端的下行鏈路。
而對(duì)于FDD系統(tǒng)，多了大量CSI反饋，隨著天線數(shù)量增加，不但開(kāi)銷增大，且反饋信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性也存在降低的可能。
因此，業(yè)界一直以為，Massive MIMO在FDD上更難于部署。
也正因如此，今天從巴塞羅那傳回的消息令人欣喜。中興是如何實(shí)現(xiàn)的呢？我想無(wú)非就是像一位武林高手要練成一門(mén)絕世武功一樣，閉關(guān)苦練必不可少吧，現(xiàn)實(shí)生活中絕對(duì)沒(méi)有金庸小說(shuō)里那么多偶然。
中興是如何實(shí)現(xiàn)的？
2015年，中興基于TDD的Pre5G Massive MIMO完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和外場(chǎng)測(cè)試，多家運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始商用測(cè)試和部署。
TDD Massive MIMO 1.0
2016年2月，在巴塞羅那舉行的MWC 2016世界移動(dòng)通信大會(huì)上，該產(chǎn)品榮獲 “最佳移動(dòng)技術(shù)突破”（Best Mobile Technology Breakthrough）以及“CTO之選”（Outstanding overall Mobile Technology-The CTO’s Choice 2016）雙料大獎(jiǎng)，這可是被業(yè)界認(rèn)可的最高榮譽(yù)。
TDD Massive MIMO 2.0
隨后，在中國(guó)、日本、印尼等人口大國(guó)的運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行了規(guī)模商用部署，我們?cè)诮诸^發(fā)現(xiàn)了中興的這個(gè)基于TDD的Pre5G Massive MIMO基站。
正是依托于TDD Massive MIMO技術(shù)規(guī)模商用積累的大量傳播特性數(shù)據(jù)，中興研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出FDD制式的Massive MIMO信道測(cè)量與估計(jì)專利算法，實(shí)現(xiàn)了FDD宏觀對(duì)稱性，在無(wú)須手機(jī)更多配合的情況下大幅提升了頻譜效率。
同時(shí)，中興通訊自研的矢量處理芯片MCS2.0提供了強(qiáng)大的信號(hào)運(yùn)算與處理能力，為FDD Massive MIMO復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)提供了可能。
閉關(guān)修煉，終成正果。2016年12月30日，中興通訊發(fā)布了全球首個(gè)基于FDD LTE制式的Massive MIMO解決方案，并與中國(guó)聯(lián)通合作完成外場(chǎng)預(yù)商用驗(yàn)證。
FDD Massive MIMO 2.0
今天，短短2個(gè)月后，我們又看到了中興在FDD Massive MIMO上的技術(shù)突破。無(wú)疑，作為中興Pre5G的標(biāo)簽技術(shù)，Massive MIMO引入FDD制式后，為全球最為廣泛部署的FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)解決了頻譜效率亟待提升的難題，將進(jìn)一步拓展了Pre5G的商用空間。據(jù)稱，中興通訊Pre5G已經(jīng)在全球30個(gè)國(guó)家，超過(guò)40個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了部署。又一個(gè)新時(shí)代開(kāi)啟，移動(dòng)通信的發(fā)展速度實(shí)在令人驚嘆！
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論