天線是無線傳輸中至關(guān)重要的一環(huán)，負(fù)責(zé)無線信號的發(fā)送與接受。為了信號傳輸?shù)挠行耘c可靠性，人們自然就會想到在天線上做功夫。尤其是5G技術(shù)興起以來，massive MIMO成為了5G技術(shù)中的核心技術(shù)之一。

        MIMO（multi-input multi-output）天線出現(xiàn)已久。由于單輸入單輸出天線（SISO）覆蓋面積窄、傳輸可靠性低與傳輸數(shù)據(jù)量小的問題，人們想到了利用多個天線進(jìn)行信號收發(fā)。

（復(fù)制粘貼自踏鄉(xiāng)墨客：https://blog.csdn.net/weixin_41008284/article/details/108896591）

        首先，通過MIMO技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳輸分集。如下圖所示，多個天線收發(fā)同一份數(shù)據(jù)，如果一個信道出現(xiàn)了阻礙或干擾，仍然可以通過其他信道接收到數(shù)據(jù)。

        其次，MIMO天線可以實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用。如下圖所示，它可以通過不同天線同時(shí)傳輸與接受多份數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

       然而MIMO技術(shù)長久以來停留在2天線、4天線、8天線的規(guī)模，在5G通信急需大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋尘跋?，massive MIMO技術(shù)進(jìn)入了人們的視野。

        massive MIMO常由一百多個天線組成，它擁有許多優(yōu)勢：

        第一點(diǎn)，massive MIMO可以成百倍地提高所發(fā)送信號的能量。massive MIMO通常由一百多個天線組成，這個龐大的天線系統(tǒng)可以完成波束賦形：通過控制每一個天線單元所發(fā)射信號的相位和信號幅度，通過對多個天線單元進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生具有指向性的波束。這樣一來，可以使無線信號能量在手機(jī)位置形成電磁波的疊加，從而提高接收信號強(qiáng)度。

        波束賦型讓波束的能量向指定的方向集中，不僅可以增強(qiáng)覆蓋距離，還可以降低相鄰波束間的干擾，讓更多的用戶可以同時(shí)通信，提升小區(qū)容量。也就是說，它將分集和復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)集于一身。

                由下圖可知，massive MIMO系統(tǒng)比SISO、SIMO與MISO的能量效率高，隨著頻譜拓寬，能量效率下降更慢，尤其是采用迫零預(yù)處理方式時(shí)。在MRC（最大比合并）方式中，窄帶信號傳輸更具優(yōu)勢。

        第二點(diǎn)，massive MIMO可以降低天線設(shè)備的成本。由于天線規(guī)模巨大，每個天線的表現(xiàn)就沒那么重要了，重要的是整體的表現(xiàn)，因此每一個天線的放大器和射頻鏈的精度和線性度的限制放寬，設(shè)備價(jià)格降低。

        其次，眾多的天線讓天線系統(tǒng)具有較高的自由度，比如當(dāng)有100個天線，而只有20個用戶，就有180個自由度，此時(shí)硬件的限制也就放寬了。

        最后，當(dāng)發(fā)送功率不變，天線數(shù)量增加，單個天線所需的能量就減少，只需要小型放大器，并且這種毫瓦級別的能量可以通過風(fēng)能與太陽能供電，對電網(wǎng)的依賴性減少，因此就可以將天線建在偏遠(yuǎn)地區(qū)。

        第三點(diǎn)，massive MIMO可以顯著減小信號傳輸延遲。傳輸延遲主要來自于多徑效應(yīng)，當(dāng)信號經(jīng)過多條路徑來到終端，它們的相位與幅度各不相同，疊加以后可能相互抵消，信號變得十分小，終端只能等到這個衰落時(shí)段過去再進(jìn)行接收，此時(shí)就產(chǎn)生了傳輸時(shí)延。而massive MIMO根據(jù)大數(shù)定理和波束賦形的原理可以避免深度衰落。

        第四點(diǎn)，massive MIMO可以避免惡意信號干擾。由于頻譜資源緊張，頻譜重疊幾率很大，此時(shí)惡意干擾與竊取信號就十分容易。2001年，在瑞典哥德堡舉行的歐盟峰會上，示威者使用了位于附近公寓的干擾器，在暴動中，首席指揮官無法聯(lián)系到700個安保人員中任何一個。而massive MIMO提供了較高的自由度，可以抵消干擾信號。（？）

        另外，massive MIMO的應(yīng)用也面臨著許多問題：

        第一點(diǎn)便是導(dǎo)頻污染，為了實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)需要發(fā)送導(dǎo)頻。在上行線路，終端發(fā)送導(dǎo)頻，基站接收到導(dǎo)頻信號后對信道狀態(tài)有了一定評估，并將評估結(jié)果發(fā)送至終端，終端根據(jù)此評估合理發(fā)送數(shù)據(jù)。由于massive MIMO有上百個天線，需要上百個正交的導(dǎo)頻信號，若導(dǎo)頻之間不正交，存在相關(guān)性，基站收到的導(dǎo)頻便是多個信道信息的疊加，此時(shí)的信道評估便不準(zhǔn)確。

        第二點(diǎn)，massive MIMO一般采用TDD模式，由于TDD模式下的信道互易性（上下行鏈路在相同的頻率上進(jìn)行傳輸，當(dāng)上下行的發(fā)送時(shí)間間隔足夠短時(shí)，可認(rèn)為上行信道與下行信道的衰落基本相同），上行信道的評估信息可直接用于下行信道。然而發(fā)送端與接收到端的硬件設(shè)備不盡相同，會破壞信道互易性。此時(shí)需要采用FDD模式下的導(dǎo)頻發(fā)送方式，上下鏈路都需要進(jìn)行信道評估，導(dǎo)頻數(shù)量翻倍，硬件設(shè)備復(fù)雜度顯著提升。

（復(fù)試粘貼自月半 月半：Chpater 5 大規(guī)模MIMO信道估計(jì)與導(dǎo)頻設(shè)計(jì)_月半 月半的博客-CSDN博客_mimo信道估計(jì)）

        第三點(diǎn)是信道響應(yīng)的正交性。若想要在massive MIMO天線系統(tǒng)中信號良好傳播，需要實(shí)現(xiàn)favorable propagation，也就是說基站到不同終端的傳播信道顯著不同（正交）。在文獻(xiàn)Massive MIMO for Next Generation Wireless System中，隆德大學(xué)做了實(shí)驗(yàn)，對比天線陣列的排列與天線數(shù)量對傳輸信道區(qū)分度的影響。如下如所示，橫坐標(biāo)是信道矩陣的奇異值，縱坐標(biāo)是cumulative density function, 線性排列比圓形排列區(qū)分度大，天線數(shù)越多，信道區(qū)分度越大。因此可以判斷，通過改變天線排列和天線數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)不同傳輸信道響應(yīng)正交，達(dá)到信道良好傳播條件（favorable propagation）。

（摘自Erik G. Larsson, ISY, Link?ping University, Sweden

Ove Edfors and Fredrik Tufvesson, Lund University, Sweden

Thomas L. Marzetta, Bell Labs, Alcatel-Lucent, United States：

Massive MIMO for Next Generation Wireless System）