Massive MIMO技术如何突破5G容量瓶颈？-睿诚科技协会

什么是Massive MIMO？（一句话概括）

Massive MIMO（大规模多天线技术）就是在基站侧部署一个由大量天线（几十、几百甚至上千根）组成的阵列，通过这些天线阵列，同时为同一个区域内的多个用户提供独立的数据传输。

（图片来源网络，侵删）

你可以把它想象成：

传统基站：像一个普通的手电筒，只能朝一个方向集中照射一个用户，光束范围大，能量分散,容易干扰到别人。
Massive MIMO基站：像一个极其精密的相控阵雷达或聚光灯矩阵，它能够同时生成成百上千个独立、极窄的光束，每个光束精确地对准一个用户，互不干扰,并且可以根据用户的移动实时调整方向。

要理解它的价值,我们需要先回顾一下移动通信的发展史和面临的挑战。

核心驱动力：解决“频谱资源枯竭”与“网络容量爆炸”的矛盾

频谱是有限的：我们可用的无线电频谱是有限的，就像土地一样，越来越稀缺，4G及以前的网络主要依靠“频谱复用”和“小区分裂”来提升容量，但这种方法已经走到了尽头，成本越来越高,效果也越来越差。
数据需求是无限的：高清视频、VR/AR、云游戏、物联网等应用对网络容量的需求呈指数级增长。

传统技术的瓶颈

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传统的MIMO（多天线技术，比如4G里的4x4 MIMO）虽然通过多天线提升了频谱效率，但其天线数量和能同时服务的用户数非常有限,已经无法满足5G时代对容量和连接数的要求。

Massive MIMO的出现，就是为了在有限的频谱资源上，实现网络容量的数量级提升。

Massive MIMO的强大之处在于它利用了几个关键的技术原理，其中最核心的就是波束赋形。

这是Massive MIMO的“灵魂”。

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传统MIMO：主要利用空间分集和空间复用，简单说，就是通过多天线让信号在空间上“抄近路”或者“同时发多份数据”,来提高传输的可靠性或速率。
Massive MIMO：则更进一步，利用大量天线，通过精密的算法控制每个天线发射信号的相位和幅度，使得这些信号在空中经过相长干涉和相消干涉，最终在目标用户的位置形成一个能量高度集中的窄波束。

波束赋形的好处：

能量聚焦：就像激光一样，能量全部集中在目标用户身上,大大提升了信号的强度和接收质量。
干扰抑制：波束非常窄，能量不会“泄漏”到其他用户那里，从而极大地降低了用户间的干扰，这使得在同一时间、同一频段上服务多个用户成为可能，实现了“空分复用”（Spatial Division Multiplexing）。

为了实现精确的波束赋形，基站必须知道无线电信号从基站到每个用户的传播路径，也就是信道状态信息。

TDD（时分双工）模式是关键：Massive MIMO通常采用TDD模式，在TDD系统中，上下行使用相同的频段，只是时间上分开，基站可以利用下行信号传输的“空闲时间”（或上行用户上传的导频信号），通过互易性原理，精确地“反向”推断出下行信道的状态。
大规模天线阵列的优势：天线数量越多，基站就能“听”得更清楚，对信道信息的估计也越准确，从而形成的波束就越窄、越精准。

阵列增益：天线数量越多，基站能发射的总能量就越高（在满足功率限制的前提下，能量被分配到更多天线上），这些能量聚焦到用户身上，等效于提升了信号的发射功率,从而增强了覆盖和可靠性。
分集增益：信号通过多条路径（多根天线）发送，即使某些路径因为衰落导致信号变差，用户总能接收到其他路径的良好信号,从而大大降低了通信中断的概率。

Massive MIMO为5G网络带来了革命性的提升：

尽管Massive MIMO前景广阔,但在实际部署中也面临一些挑战：

Massive MIMO不仅仅是在基站上“堆砌”更多天线，它是一套完整的、革命性的无线通信技术体系。 它通过大规模天线阵列和精密的波束赋形，从根本上改变了基站与终端的通信方式，从“广播式”的粗放服务，升级为“点对点”的精准服务。

它是5G实现“eMBB（增强移动宽带）、uRLLC（超高可靠低时延通信）、mMTC（海量机器类通信）”三大场景愿景的基石技术之一，也是未来6G继续演进的重要方向，可以说，没有Massive MIMO，就没有今天我们所体验到的5G高速、大连接的网络体验。