5G为什么要用massive MIMO？

donnar

     5G虽然可以使用低于6GHz的低频频段，但是由于低频频段的资源有限，而5G对带宽的需求量又很大，因此大部分5G网络会部署在高频频段，即毫米波频段（mmWave）。在为5G寻找合适的技术时，不能忽略5G的这个特征。

     从无线电波的物理特征来看，如果我们使用低频频段或者中频频段，我们可以实现天线的全向收发，至少也可以在一个很宽的扇面上收发。但是，当使用高频频段（如毫米波频段）时，我们别无选择，只能使用包括了很多天线的天线阵列。使用多天线阵列的结果是，波束变得非常窄。为什么在毫米波频段，我们只能使用多天线阵列呢？

     在理想传播模型中，当发射端的发射功率固定时，接收端的接收功率与波长的平方、发射天线增益和接收天线增益成正比，与发射天线和接收天线之间的距离的平方成反比。在毫米波段，无线电波的波长是毫米数量级的，所以又被称作毫米波。而2G/3G/4G使用的无线电波是分米波或厘米波。由于接收功率与波长的平方成正比，因此与厘米波或者分米波相比，毫米波的信号衰减非常严重，导致接收天线接收到的信号功率显著减少。怎么办呢？我们不可能随意增加发射功率，因为国家对天线功率有上限限制；我们不可能改变发射天线和接收天线之间的距离，因为移动用户随时可能改变位置；我们也不可能无限提高发射天线和接收天线的增益，因为这受制于材料和物理规律。唯一可行的解决方案是：增加发射天线和接收天线的数量，即设计一个多天线阵列。

     3GPPR1-136362对5G引入Massive MIMO的动机做了很好的总结：随着移动通信使用的无线电波频率的提高，路径损耗也随之加大。但是，假设我们使用的天线尺寸相对无线波长是固定的，比如1/2波长或者1/4波长，那么载波频率提高意味着天线变得越来越小。这就是说，在同样的空间里，我们可以塞入越来越多的高频段天线。基于这个事实，我们就可以通过增加天线数量来补偿高频路径损耗，而又不会增加天线阵列的尺寸。使用高频率载波的移动通信系统将面临改善覆盖和减少干扰的严峻挑战。一旦频率超过10GHz，衍射不再是主要的信号传播方式；对于非视距传播链路来说，反射和散射才是主要的信号传播方式。同时，在高频场景下，穿过建筑物的穿透损耗也会增加。这些因素都会增加信号覆盖的难度。特别是对于室内覆盖来说，用室外宏站覆盖室内用户变得越来越不可行。而使用massiveMIMO（即天线阵列中的许多天线），我们能够生成高增益、可调节的赋形波束，从而明显改善信号覆盖，并且由于其波束非常窄，可以减少对周边的干扰。

     多天线阵列无疑是把双刃剑。很明显，多天线阵列的大部分发射能量聚集在一个非常窄的区域。这意味着，使用的天线越多，波束宽度越窄。多天线阵列的好处在于，不同的波束之间，不同的用户之间的干扰比较少，因为不同的波束都有各自的聚焦区域，这些区域都非常小，彼此之间不大有交集。多天线阵列的不利之处在于，系统必须用非常复杂的算法来找到用户的准确位置，否则就不能精准地将波束对准这个用户。因此，我们不难理解，波束管理和波束控制对massiveMIMO的重要性。

     举个例子。有一个基站工作在非常高的频段，并且使用了massiveMIMO技术。在这个基站的附近有一个用户正好打开了他的5GUE。开机后，5G UE就开始了同步过程。这时，基站应该把一个叫“同步信号”的特殊信号发给UE。但是，现在碰到一个严重的问题。基站发的携带“同步信号”的波束非常窄，只能打到一个非常小的区域。怎么才能让这个波束照到这个UE呢？有一个简单的方法，让基站360度同时发送许多个波束，就像一朵向日葵。这样，虽然每个波束都非常窄，但总有一个波束能照到这个UE。显然，这个方法不现实。另一个马上想得到的做法是，不是同时360度发送许多个波束，而是一个波束360度快速分时发送。这种做法无疑比第一种做法可行得多。实际部署的5G移动通信系统的波束管理算法肯定比这复杂和聪明得多，还涉及到UE对信道的测量并将测量结果反馈基站的策略。由于没有相关信息，这里暂时还无法进一步展开。

     一旦UE和网络建立连接之后，波束又是如何管理的？大致上来说有4种情况：1，一对收发端口和一个波束；2，多对收发端口，每对收发端口一对波束；3，一对收发端口，多个波束；4，多对收发端口，每对收发端口有多个波束。在实际的网络部署中，基站会为波束管理提供一个特定的参考信号。UE收到这个参考信号后，执行一些测量，并将测量结果反馈给基站。为此，5G设计了SRS，其基于互助管理的预编码设计为massiveMINO和上行链路波束管理提供了帮助。总的来说，这套机制和在目前的4GLTE网络中使用的CSI报告机制差不多。