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5G中的大规模MIMO(Massive MIMO)技术:波束形成与大规模MIMO


作者:本站收录 来源:万物云联网 2017-11-01 14:43:58
摘要:一个先进的有前途的途径是部署具有大量天线的基站,使得在同一频率资源上能同时与多个空间分离的用户终端通信,并能够有效地利用多路径传播。这种通常被称为大量多输入多输出(MIMO)既大规模MIMO(Massive MIMO)技术,该技术也被描述为具有大量天线的波束成形。但这就提出了一个问题:波束成形(Beamforming)究竟是什么?
5G中的大规模MIMO(Massive MIMO)技术:波束形成与大规模MIMO

  图1、定义5G世界中的大规模MIMO(Massive MIMO)技术

  大规模MIMO(Massive MIMO)技术和5G通信通常在同一句话中提及。对于高速移动数据的不断需求正在创造出一系列紧迫的设计挑战,因为当今的蜂窝基站需要应对日益饱和的射频频谱。在许多密集的城市地区,我们不断加快传输和接收数据速度的能力受到威胁。

  一个先进的有前途的途径是部署具有大量天线的基站,使得在同一频率资源上能同时与多个空间分离的用户终端通信,并能够有效地利用多路径传播。这种通常被称为大量多输入多输出(MIMO)既大规模MIMO(Massive MIMO)技术,该技术也被描述为具有大量天线的波束成形。但这就提出了一个问题:波束成形(Beamforming)究竟是什么?

  波束形成(Beamforming)与 大规模MIMO(Massive MIMO)

  波束形成(Beamforming)是一种对不同的人来说有不同意义的技术词汇。根据其基本定义,波束形成(Beamforming)是指一种将天线阵列的辐射图适应于特定场景的能力。在蜂窝通信空间中,许多人认为波束形成(Beamforming)是朝向用户向特定方向转向功率波瓣(图1)的功能。系统将相对幅度和相移施加到每个天线元件上,以允许来自天线阵列的输出信号相对于特定的发射/接收角度同相相加在一起,并用于相互抵消其他信号。通常不考虑阵列和用户所在的空间环境。这确实也是一种波束形成(Beamforming),但它只是一个具体的实现。

5G中的大规模MIMO(Massive MIMO)技术:波束形成与大规模MIMO

  图2、该图说明了传统的波束形成。

  大规模MIMO(Massive MIMO)技术可以被认为是在技术术语上的更一般意义上的波束形成(Beamforming)的一种形式,但是它与传统的波束形成(Beamforming)形式有很大的差异。 “大量”是指基站天线阵列中的大量天线。 “MIMO”是指在相同的时间和频率资源中,由天线阵列照顾到多个空间分离的用户的事实。

  大规模MIMO(Massive MIMO)技术还承认,在现实世界的系统中,在天线和用户终端之间传输的数据(反之亦然)经历了周围环境的过滤。信号可能会被建筑物和其他障碍物所反射,并且这些反射将具有相关的延迟,衰减和到达方向(如图3所示)。天线和用户终端之间甚至可能没有直接的视距传播路径。事实证明,这些非直接传输路径可以用作带来好处的信号源。

5G中的大规模MIMO(Massive MIMO)技术:波束形成与大规模MIMO

  图3、本图表示了天线阵列和用户之间的多路径环境

  为了利用无线电波的多路径传播特性,需要对天线元件和用户终端之间的空间信道进行表征。在文献中,该信道响应通常被称为信道状态信息(CSI,channel state information)。该CSI实际上是每个天线与每个用户终端之间的空间传递函数的集合。这样的空间信息被收集在矩阵中(如图4所示)。信道状态信息(CSI,channel state information)用于对从天线阵列发送和接收的数据进行数字编码和解码,我们需要应用信道状态信息(CSI,channel state information)来表征大规模MIMO(Massive MIMO)系统。后面我们会介绍信道状态信息(CSI,channel state information)的概念,以及如何更详细地收集信道状态信息(CSI,channel state information)。

5G中的大规模MIMO(Massive MIMO)技术:波束形成与大规模MIMO

  图4、需要信道状态信息(CSI)来表征大规模MIMO系统

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