5G中的大規模MIMO（Massive MIMO）技術：波束形成與大規模MIMO

圖1、定義5G世界中的大規模MIMO（Massive MIMO）技術

大規模MIMO（Massive MIMO）技術和5G通信通常在同一句話中提及。對於高速移動數據的不斷需求正在創造出一系列緊迫的設計挑戰，因為當今的蜂窩基站需要應對日益飽和的射頻頻譜。在許多密集的城市地區，我們不斷加快傳輸和接收數據速度的能力受到威脅。

一個先進的有前途的途徑是部署具有大量天線的基站，使得在同一頻率資源上能同時與多個空間分離的用戶終端通信，並能夠有效地利用多路徑傳播。這種通常被稱為大量多輸入多輸出（MIMO）既大規模MIMO（Massive MIMO）技術，該技術也被描述為具有大量天線的波束成形。但這就提出了一個問題：波束成形（Beamforming）究竟是什麼？

波束形成（Beamforming）與 大規模MIMO（Massive MIMO）

波束形成（Beamforming）是一種對不同的人來說有不同意義的技術辭彙。根據其基本定義，波束形成（Beamforming）是指一種將天線陣列的輻射圖適應於特定場景的能力。在蜂窩通信空間中，許多人認為波束形成（Beamforming）是朝向用戶向特定方向轉向功率波瓣（圖1）的功能。系統將相對幅度和相移施加到每個天線元件上，以允許來自天線陣列的輸出信號相對於特定的發射/接收角度同相相加在一起，並用於相互抵消其他信號。通常不考慮陣列和用戶所在的空間環境。這確實也是一種波束形成（Beamforming），但它只是一個具體的實現。

圖2、該圖說明了傳統的波束形成。

大規模MIMO（Massive MIMO）技術可以被認為是在技術術語上的更一般意義上的波束形成（Beamforming）的一種形式，但是它與傳統的波束形成（Beamforming）形式有很大的差異。 「大量」是指基站天線陣列中的大量天線。 「MIMO」是指在相同的時間和頻率資源中，由天線陣列照顧到多個空間分離的用戶的事實。

大規模MIMO（Massive MIMO）技術還承認，在現實世界的系統中，在天線和用戶終端之間傳輸的數據（反之亦然）經歷了周圍環境的過濾。信號可能會被建築物和其他障礙物所反射，並且這些反射將具有相關的延遲，衰減和到達方向（如圖3所示）。天線和用戶終端之間甚至可能沒有直接的視距傳播路徑。事實證明，這些非直接傳輸路徑可以用作帶來好處的信號源。

圖3、本圖表示了天線陣列和用戶之間的多路徑環境

為了利用無線電波的多路徑傳播特性，需要對天線元件和用戶終端之間的空間通道進行表徵。在文獻中，該通道響應通常被稱為通道狀態信息（CSI，channel state information）。該CSI實際上是每個天線與每個用戶終端之間的空間傳遞函數的集合。這樣的空間信息被收集在矩陣中（如圖4所示）。通道狀態信息（CSI，channel state information）用於對從天線陣列發送和接收的數據進行數字編碼和解碼，我們需要應用通道狀態信息（CSI，channel state information）來表徵大規模MIMO（Massive MIMO）系統。後面我們會介紹通道狀態信息（CSI，channel state information）的概念，以及如何更詳細地收集通道狀態信息（CSI，channel state information）。

圖4、需要通道狀態信息（CSI）來表徵大規模MIMO系統

（完）