一文讀懂MIMO（從MIMO到Massive MIMO）

「來源： ｜微波射頻網 ID：mwrfnet」

一、MIMO的定義

MIMO是 Multiple Input Multiple Output 多輸入多輸出系統，指在發射端和接收端同時使用多個天線的通訊系統，在不增加寬頻的情況下成倍地提高通訊系統的容量和頻譜利用率。

二、MIMO的發展歷史

1908年馬可尼就提出用MIMO來抗衰落；

70年代有人提出將MIMO用於通訊系統；

1995年Teladar給出了在衰落情況下的MIMO容量；

1996年Foshinia給出了一種多入多出處理演算法——對角-貝爾實驗室分層空時（D-BLAST）演算法；

1998年Tarokh等討論了用於MIMO的空時碼；

1998年Wolniansky等採用垂直-貝爾實驗室分層空時（V-BLAST）演算法建立了一個MIMO實驗系統

這些工作受到各國學者的極大注意，並使得MIMO技術的研究工作得到了迅速發展。

三、MIMO的優勢

1、 MIMO多種模式帶來多種增益

傳送分集增益

提高系統可靠性，不能提升資料速率。

波束賦形增益

提高系統有效性，可以提升資料速率。

空分複用增益

提高系統有效性，可以提升資料速率。

2、提高頻譜效率

要求 TD-LTE的下行頻譜效率達到5bps/Hz（Rel-10為30bps/Hz）。

要求TD-LTE的上行頻譜效率達到2。5bps/Hz（Rel-10為15bps/Hz）。

四、 MIMO技術的分類

MIMO技術主要分為三大類：波束賦形、傳輸分集和空間複用。

波束賦形

波束賦形是利用較小間距的天線陣元之間的相關性（天線間距為0。5-0。65 λ ），透過陣元發射的波之間形成干涉，集中能量於某個（或某些）特定方向上，形成波束，從而實現更大的覆蓋和干擾抑制效果。下圖為波束賦形的原理圖

我們可以這樣理解波束賦形，“波束”裡的波字可以認為是電磁波，束字的本意是“捆綁”，因此波束的含義是捆綁在一起集中傳播的電磁波；而賦形可以簡單地理解為“賦予一定的形狀”。合起來，波束賦形的意思就是賦予一定形狀集中傳播的電磁波。我們常見的光也是一種電磁波，燈泡作為一個點光源，發出的光沒有方向性，只能不斷向四周耗散；而手電筒則可以把光集中到一個方向發射，能量更為聚焦，從而照地更遠。

無線基站也是同理，如果天線的訊號全向發射的話，這幾個手機只能收到有限的訊號，大部分能量都浪費掉了；而如果能透過波束賦形把訊號聚焦成幾個波束，專門指向各個手機發射的話，承載訊號的電磁能量就能傳播地更遠，而且手機收到的訊號也就會更強。

根據波束賦形處理位置和方式的不同，可分為數字波束賦形，模擬波束賦形，以及混合波束賦形這三種。

模擬波束賦形，就是透過處理射頻訊號權值，透過移相器來完成天線相位的調整，處理的位置相對靠後。

模擬波束賦形點是基帶處理的通道數量遠小於天線單元的數量，因此容量上受到限制，並且天線的賦形完全是靠硬體搭建的，還會受到器件精度的影響，使效能受到一定的制約。

數字波束賦形則在基帶模組的時候就進行了天線權值的處理，基帶處理的通道數和天線單元的數量相等，因此需要為每路資料配置一套射頻鏈路。數字波束賦形的優點是賦形精度高，實現靈活，天線權值變換響應及時；缺點是基帶處理能力要求高，系統複雜，裝置體積大，成本較高。

混合波束賦形將數字波束賦形和模擬波束賦形結合起來，使在模擬端可調幅調相的波束賦形，結合基帶的數字波束賦形。混合波束賦形數字和模擬融合了兩者的優點，基帶處理的通道數目明顯小於模擬天線單元的數量，複雜度大幅下降，成本降低，系統性能接近全數字波束賦形，非常適用於高頻系統。

波束賦形還可以分為單流波束賦形和雙流波束賦形。

單流波束賦形（對應TM7）：LTE R8中僅支援基於專用導頻的單流波束賦形技術。傳輸過程中，UE需要透過對專用導頻的測量來估計波束賦形後的等效通道，並進行相干檢測。為了能夠估計波束賦形後傳輸所經歷的通道，基站必須傳送一個與資料同時傳輸的波束賦形參考訊號，這個參考訊號是使用者專用的，對應於使用者專用參考訊號的傳輸稱作使用天線埠5的傳輸。

雙流波束賦形（對應TM8）：TD-LTE R9中將波束賦形擴充套件到了雙流傳輸，實現了波束賦形與空間複用技術的結合。為了支援雙流波束賦形，LTE R9中定義了新的雙埠專用導頻（埠7與8），並引入了新的控制信令。在雙流賦形中，UE基於對專用導頻的測量估計波束賦形後的等效通道，其中Precoding模組並不進行任何預處理操作。

傳輸分集

傳輸分集是利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關性（天線間距在10λ以上），發射或接收一個數據流，避免單個通道衰落對整個鏈路的影響，目的是提高鏈路的質量，即提高通訊的質量。

傳輸分集的代表性技術是空時編碼Space Time Coding（STC），空時編碼就是將空間域上的傳送分集和時間域上的通道編碼相結合的聯合編碼技術，透過在發射端的聯合編碼增加訊號的冗餘度，從而使訊號在接受端獲得分集增益。空時編碼（STC）將資料分成多個數據子流在多個天線上同時發射，建立了空間分離和時間分離之間的關係，透過在發射天線間的時域引入編碼冗餘得到分集增益。其本質在於建立了空間分離和時間分離之間的關係，達到各個天線之間的相互保護的目的（也就是說各個天線傳送的訊號獨立或者相關性很小），降低了同一個符號在所有天線上發生深度衰落的機會，降低平均誤位元速率。空時編碼（STC）主要分為空時格碼（STTC）和空時分組碼（STBC）。

空時格碼（STTC：Space-Time Trellis Code ）將傳送分集與網格編碼調製相結合的聯合編碼方式。所獲得的編碼方案在不犧牲系統頻寬的情況下獲得滿分集增益和高編碼增益，進而提高傳輸質量。空時格碼的譯碼採用最大似然譯碼器，通常採用Viterbi譯碼器進行最大似然譯碼。採用STTC能同時得到編碼增益和分集增益，雖然它能夠提供比現在系統高3-4倍的頻譜效率，但是其譯碼複雜度隨著狀態數的增加而指數增長。

空時分組碼（STBC：Space-Time Block Code）是利用正交設計的原理分配各發射天線上的發射訊號格式，實際上是一種空間域和時間域聯合的正交分組編碼方式。空時分組碼可以使接收機解碼後獲得滿分集增益，且保證譯碼運算僅僅是簡單的線性合併，使譯碼複雜度大大降低。

空間複用

空間複用是利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關性，向一個終端/基站並行發射多個數據流，以提高鏈路容量。空間複用技術是在不同的天線，同一的頻點上傳輸多個獨立的資料流，接收端必須使用不少於資料流數目的接收天線才能譯碼正確，這樣在頻點資源一定的情況下能提高整個系統的吞吐量。

傳輸分集和空間複用的比較

傳輸分集

是在多條獨立路徑上傳輸相同的資料

接收端透過分集合並技術

抵抗通道衰落，降低誤位元速率

提高系統的可靠性，不能提高資料速率

空間複用

是在多條獨立路徑上傳輸不同資料

接收端要進行多使用者檢測與分離

充分利用系統資源，提高系統容量

提高系統的有效性，可以提高資料速率

四、MIMO的發展歷程

五、LTE中MIMO的應用

主要有以下8中模式

六、5G Massive MIMO

基本概念

大規模天線也稱Massive MIMO天線。Massive MIMO天線相對於傳統基站天線或者傳統一體化有源天線，其形態差異為陣列數量非常大、單元具備獨立收發能力。相當於更多天線單元實現同時收發資料。高頻Massive MIMO天線用於熱點地區、室內容量和無線回傳。高低頻混合組網，實現最佳頻譜利用。

Massive MIMO的優勢

多波束能力，可透過多使用者空分複用增益提升網路容量（ MU-MIMO ） ；

大陣列Beam forming ，透過演算法抑制使用者間干擾，大幅提升單使用者SINR ；

3D-beamforming特性 ，實現多種場景的覆蓋要求；

多通道 上行接收，可最大化提升上行接收增益。

Massive MIMO與傳統MIMO效能比較

大規模天線技術的研究內容

1、應用場景與通道建模

大規模天線技術的潛在應用場景主要包括：宏覆蓋、高層建築、異構網路、室內外熱點以及無線回傳鏈路等。此外，以分散式天線的形式構建大規模天線系統也可能成為該技術的應用場景之一。在需要廣域覆蓋的場景，大規模天線技術可以利用現有頻段；在熱點覆蓋或回傳鏈路等場景，則可以考慮使用更高頻段。

2、傳輸與檢測技術

大規模天線的效能增益主要是透過大量天線陣元形成的多使用者通道間的準正交特性保證的。然而，在實際的通道條件中，由於裝置。與傳播環境中存在諸多非理想因素，為了獲得穩定的多使用者傳輸增益，仍然需要依賴下行傳送與上行接收演算法的設計來有效地抑制使用者間乃至小區間的同道干擾，而傳輸與檢測演算法的計算複雜度則直接與天線陣列規模和使用者數相關。

3、通道狀態資訊測量與反饋技術

通道狀態資訊測量、反饋及參考訊號設計等對於MIMO技術的應用具有重要意義。為了更好地平衡通道狀態資訊測量開銷與精度，除了傳統的基於碼本的隱式反饋和基於通道互易性的反饋機制之外，諸如分級CSI測量與反饋。基於Kronecker運算的CSI測量與反饋、壓縮感知以及預體驗式等新型反饋機制也值得考慮。

4、覆蓋增強技術以及高速移動解決方案

天線規模的擴充套件對於業務通道的覆蓋將帶來巨大的增益，但是對於需要有效覆蓋全小區內所有終端的廣播通道而言，則會帶來諸多不利影響。在這種情況下，類似內外雙環波束掃描的接入技術能夠解決窄波束的廣覆蓋問題。除此之外，大規模天線還需要考慮在高速移動場景下，如何實現訊號的可靠和高速率傳輸問題。對通道狀態資訊獲取依賴度較低的波束跟蹤和波束拓寬技術，可以有效利用大規模天線的陣列增益提升資料傳輸可靠性和傳輸速率。

5、多使用者排程與資源管理技術

大規模天線為無線接入網路提供了更精細的空間粒度以及更多的空間自由度，因此基於大規模天線的多使用者排程技術、業務負載均衡技術以及資源管理技術將獲得可觀的效能增益。

6、大規模有源陣列天線技術

大規模天線前端系統從結構上可分為數字陣和數模混合陣兩大類。出於複雜度、功耗和成本的考慮，數模混合的陣列架構在高頻段將具有很大的應用潛力。大規模有源陣列天線的構架、高效/高可靠/小型化/低成本/模組化收發元件、高精度監測與校準方案等關鍵技術將直接影響到大規模天線技術在實際應用環境中的效能與效率，並將成為直接關係到大規模天線技術能否最終進入實用化階段的關鍵環節。

7、預編碼技術

預編碼技術是在下行鏈路的傳送端利用 CSI 對傳送訊號進行預處理的技術。假設傳送端能獲得完整的通道狀態資訊，在傳送端透過對訊號進行預處理，可以預先消除傳送訊號透過無線通道所受到的干擾，包括多根傳送天線上傳輸資料流之間的天線間干擾，以及多個使用者的訊號在相 同時間- 頻率資源上傳輸而產生的多使用者干擾，從而達到保證通訊可靠性，提高系統性能的目的。預編碼技術的編碼方式主要有ZF預編碼、MF預編碼、MRC預編碼、MMSE預編碼。

大規模天線技術為系統頻譜效率、使用者體驗、傳輸可靠性的提升提供了重要保證，同時也為異構化、密集化的網路部署環境提供了靈活的干擾控制與協調手段。隨著一系列關鍵技術的突破以及器件、天線等技術的進一步發展，大規模天線技術必將在5G系統中發揮重大作用。

七、MIMO技術未來的發展

關於未來大規模天線的發展方向，因為5G NR正值商業化程序，根據實際的部署場景要對不同的方面實現進一步增強，這些方面包括以下部分：

考慮 到高速車輛的場景（例如UE在高速功率上移動）進 一步降低時延和開銷，以及降低波束失敗事件的發生機率；

Rel 16雖然研究了多個面板的上行波束選擇的增強，提供了一些潛在用於提升上行覆蓋的方案，但沒有足夠的時間來完成標準化工作；

除了下行數 據信道有多個傳送點的好處以外，還可以包含上行密集 部署在宏小區或者異構網路部署場景中小區間的多點發 送；

進一步增強上行導頻SRS提升容量和覆蓋；

在Rel 16增強的Type II CSI的基礎上，進一步增強低頻FDD部署下的多傳送點/多面板的CSI設計以及更 好地使用通道統計的角度和時延的部分互易性用於聯合傳輸。

參考文章：

“分集”與“複用”的辨析

5G怎樣實現波束賦形？

5G無線構架白皮書

面向5G的大規模MIMO關鍵技術研究分析

注：如果哪塊寫的不準確歡迎提意見！

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作者：Sandra-520

原文連結：https：//blog。csdn。net/qq_45739602/article/details/106697274

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