Massive MIMO关键技术及其在5G网络性能提升中的运用

2021-04-20李晓静陈贺杨东

网络安全技术与应用 2021年3期

◆李晓静陈贺杨东

◆李晓静陈贺杨东

（黄河科技学院工学部河南 450000）

随着无线通信技术的不断发展以及各种新型网络业务的出现，社会对于数据传输速率的要求在逐渐提高。为了满足数据传输速率的要求，增加基站天线数目、构建Massive MIMO系统就成为一种便捷、高效的方式。因此，本文就Massive MIMO关键技术进行分析，并且阐述其对于5G网络性能提升的具体作用，希望可以满足Massive MIMO技术的应用需求。

Massive MIMO；5G；网络性能

在5G网络之中，Massive MIMO技术作为其关键所在，具有更大的系统容量、更高的平铺利用率以及良好的抗多径衰落性能等优点，在网络运行中得到了广泛的应用。因此，对于Massive MIMO技术的研究具有重要的现实意义。

1 Massive MIMO技术分析

Massive MIMO技术作为5G技术之一，在满足5G的e MBB、u RLLC 和 m MTC业务上发挥了重要的作用。Massive MIMO主要是利用基站端来布置天线规模的天线阵，通过运用波束成形技术就可以构建朝向多个目标客户的不同波束，以此来降低不同波束之间存在的干扰，充分挖掘空间资源。Massive MIMO实现了对稀缺的、宝贵的、有效的频带资源的利用，将网络容量提升了几十倍。

（1）多输入多输出系统

针对传统的无线通信，接收端与发射端是单天线的形式，其被称之为单输入单输出系统。但是Massive MIMO技术的出现将这一极限打破，实现系统信道容量的全面提升。其基本原理在于：无线通信的发射端和接收端，能够利用多个发射天线与接收天线，通过对空间资源和电磁波的多径传播特性的利用，在频谱资源和发射功率没有增加的前提下可以通过信号处理技术以及无线传输技术，建立相应的机制，这样就可以获取对应的复用增益、分集增益、干扰对消增益以及阵列增益等，以此来提升5G网络系统的实际覆盖率和容量[1]。

假设有NTx根发射天线和NRx根接收天线，其对应的Massive MIMO系统具体见图1所示。

图1 Massive MIMO系统示意图

（2）波束赋形

针对Massive MIMO而言，波束赋形属于其主要技术特点，通过不同路径信号的加权合并，就可以实现对接收端信噪比的改善，在距离接收端较远的时候提升相应的信号质量。

（3）设备形态

为了满足系统性能提升要求，提高用户感知，针对5G无线基站，就可以考虑到基于Massive MIMO技术的大规模天线设备的使用，以此来支持天线阵列，最终实现对于用户控件复用传输的支持，实现5G系统频谱效率数倍的提升[2]。

针对Massive MIMO设备，主要是通过每一个天线通道发射信号对应的幅度与相位的控制，产生具有较强指向性的增强信号波束，这样就可以实现对无线传播损耗的补偿，以此获取赋形增益，满足5G基站小区覆盖的要求。对于Massive MIMO设备的TR数，其主要包含了64TR、32TR、16TR三种规格。对于更多的TR可以满足3D MIMO的实现，并且基于阵列增益基础将赋形的增益提高，最终提升室内外覆盖率。通过仿真结果来看，64TR设备的增益最为明显，具体见图2所示。

图2 不同TR设备的signal level仿真

2 Massive MIMO助力5G网络性能提升

针对Massive MIMO，主要是通过天线与射频阵列格局的改变来实现其转变。对于5G基站，其利用大规模的多天线技术，基于不同“维度”实现5G频谱利用率的全面提升。考虑到5G测试结果的实际情况，运用64通道的Massive MIMO技术成为最主流的选择。一般来说，通道数越多，其伴随而来的网络性能就越高，但是针对3.5GHz频段的天线产品，其本身是难以特别小型化的[3]。所以，基于成本、产品性能以及上站难度的考虑，针对3.5GHz频段的商用5G基站，基本上都是选择的64通道，针对不同的场景的对应使用方案存在一定的差异，具体见图3所示。

图3 基于不同场景的Massive MIMO使用方案选择

在3.5GHz频段下，为了规范4G网络和5G网络的部署，5G基站与终端就需要更大的发射功率，这样才能有效规避工作频段不断升高带来的覆盖损失。就目前的3GPP的标准进展情况分析来看，在3.5GHz的频段下手机终端和基站本身的发射功率相对较高。就目前各个公司的具体产品和对应的技术研究分析来看，在5G正式商用的时候，基站有可能在下行64通道工作，拥有100MHz带宽的时候可以实现200W的发射功率，手机终端发射功率相对于4G时期预计也可以提升一倍，达到400mW。更大的发射功率可以将5G工作状态下频段升高导致的网络上下行覆盖损失加以弥补[4]。

为了实现对上行覆盖受限问题的有效弥补，5G直接利用全新的空口技术来实现覆盖能力和网络性能的全面提升。基于5G链路预算来分析，因为手机终端发射功率本身的限制，5G网络的实际覆盖范围也会受到上行限制。当宏基站部署在室外、用户在室内，无线信号就会穿越墙体，导致信号衰减，会缩小基站的实际覆盖范围[5]。在5G时代，一般约定当终端上行速率降低到2Mbit/s就属于小区的覆盖边缘。按照这一规定来分析链路预算，在3.5GHz的频段中5G上行的实际覆盖可以达到200m。如果考虑到目前还没有完成标准化的5G全新帧结构设计，上行的覆盖距离预计会更远。

图4 Massive MIMO的技术优势

就目前的标准实际进展情况以及对应的测试分析进行判断，基于Massive MIMO的5G基站，不仅可以通过更多无线信号流的复用来实现网络容量的提升，也可以利用波束赋形的方式来提升网络的实际覆盖能力。波束赋形技术主要是通过对于天线增益空间分布的调整，在发送的时候就可以将信号能量集中指向目标终端，弥补在空间传输过程中信号出现的损耗，以此来提升网络的实际覆盖能力。

使用Massive MIMO技术，其本身的优势在于覆盖与容量的提升，同时降低高频建网的成本，具体见图4所示。

目前，针对4G系统而言，因为工作频段较低，所以很难在终端上实现天线数量的大幅度增加，会限制其终端峰值速率。通过空间复用、空间分集以及波速赋形等技术的合理使用，增强基站覆盖、提升服务质量、提高基站容量等各方面能力的挖掘就成为关键所在，使用Massive MIMO关键技术可以将这一系列问题全部解决。