Massive MIMO

什么是MIMO？从SISO到MIMO - 华为 (huawei.com）

Multiple-Input Multiple-Output，多入多出

概念： 在发送端和接收端都使用多根天线构成多个信道的天线系统，从而在不增加通信带宽的条件下有效提高信道容量（系统容量）、覆盖范围和信噪比。主要应用在WiFi和移动通信；通常讲的M×N MIMO是指发送端有M个天线，接收端有N个天线。
特点： 具有极高的频谱利用效率，但增加了收发端的处理复杂度。

一、从SISO到MIMO

SISO：单入单出，容量低、可靠性低
SIMO：单入多出，单发多收、接收分集；容量不变可靠性提高
MISO：多入单出，多发单收、发射分集；最终合成一路，因而还是发射相同信号、容量不变可靠性提高
MIMO：多入多出，可以发射多路独立信号、通过空分复用和空间分集等技术，在不增加占用带宽的情况下，提高系统容量、覆盖范围和信噪比。

二、MIMO类型

（1） 单用户MIMO：SU-MIMO（Single-user MIMO）
（2） 多用户MIMO：MU-MIMO（Multi-user MIMO）：允许发射端（AP）同时和多个用户传输数据。Wi-Fi 5标准开始支持4用户的MU-MIMO，Wi-Fi 6标准将用户数增加到了8个，用于用户分布密集、多用户大流量并发的场景。
（3） Massive MIMO：大规模天线技术，极大提升了天线的数量，传统MIMO一般使用2~8天线，而Massive MIMO则可达到64/128/256个天线。可大幅提高系统容量和传输效率，是5G移动通信的关键技术。

三、MIMO工作原理

（1） 空间分集：增加传输距离、提高可靠性
制作同一个数据流的不同版本，分别在不同的天线进行编码、调制，然后发送。这个数据流可以是原来要发送的数据流，也可以是原始数据流经过一定的数学变换后形成的新数据流。接收机利用空间均衡器分离接收信号，然后解调、解码，将同一数据流的不同接收信号合并，恢复出原始信号。

WiFi 4标准引入的[[Massive MIMO#5G波束赋形|波束赋形]]技术也可以认为是一种分集技术。波束成形需要先检测信道状态，对各天线发送的信号进行预编码，使信号在接收端方向叠加增强。波束成形能够增加信号传输距离，提高接收端收到的信号质量。

（2） 空分复用：提高传输速率
空分复用技术是指将需要传送的数据分为多个数据流，分别通过不同的天线进行编码、调制，然后进行传输，从而提高系统的传输速率。天线之间相互独立，一个天线相当于一个独立的信道，接收机利用空间均衡器分离接收信号，然后解调、解码，将几个数据流合并，恢复出原始信号。

四、MIMO标准演进

在802.11n（wifi4）标准中提出MIMO；
802.11ac Wave2（Wi-Fi 5）引入了MU-MIMO技术，具体而言是指DL MU-MIMO，最大允许AP同时向4个终端发送数据。
802.11ax（Wi-Fi 6），又引入了UL MU-MIMO技术，解决了上行多用户传输的瓶颈问题，同时还将允许AP同时通信的最大终端数扩大到了8个，进一步提升了用户密集场景的传输效率。所以只要Wi-Fi设备支持Wi-Fi 5，就支持DL MU-MIMO，而支持Wi-Fi 6的话，则支持双向的MU-MIMO。

需要注意的是，MU-MIMO要生效，需要通信双方的AP和终端都支持MU-MIMO。如果网络中存在不支持MU-MIMO的终端，则AP和该类终端通信时，仍使用SU-MIMO，和支持MU-MIMO的终端通信时，继续使用MU-MIMO。

五、Massive MIMO大规模天线技术

Massive MIMO最早由美国贝尔实验室研究人员提出，研究发现，当小区的基站天线数目趋于无穷大时，加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计，数据传输速率能得到极大提高。换个说法，在单天线对单天线的传输系统中，由于环境的复杂性，电磁波在空气中经过多条路径传播后在接收点可能相位相反，互相削弱，此时信道很有可能陷于很强的衰落，影响用户接收到的信号质量。而当基站天线数量增多时，相对于用户的几百根天线就拥有了几百个信道，他们相互独立，同时陷入衰落的概率便大大减小，这对于通信系统而言变得简单而易于处理。

（1）两个维度

天线数量：4G的2/4/8个，到64/128/256个；
信号覆盖：2D-MIMO只能水平方向移动，垂直方向不动，信号类似一个平面发射出去；而Massive MIMO是3D-MIMO，引入垂直维度的空域，信号的辐射状是个电磁波束。

（2）特点

复用增益和分集增益、MU-MIMO

Massive MIMO系统的空间分辨率与现有MIMO系统相比显著提高，它能深度挖掘空间维度资源，使得基站覆盖范围内的多个用户在同一时频资源上利用大规模MIMO提供的空间自由度与基站同时进行通信，提升频谱资源在多个用户之间的复用能力，从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率。

5G波束赋形

Beamforming

增强覆盖、提高能量效率
减少用户间干扰
灵活调整：3D波束赋形

波束赋形：通过调整多天线的幅度和相位，赋予天线辐射图特定的形状和方向，使无线信号能量集中于更窄的波束上，从而可增强覆盖范围和减少干扰。有了波束赋形，可形成精确的用户级超窄波束，并随用户位置而移动，将能量定向投放到用户位置，相对传统宽波束天线可提升信号覆盖，同时降低小区间用户干扰。
同时，还能通过3D波束赋形在垂直维度增加一个可以利用的维度，从而可更灵活的调整小区的垂直覆盖范围，改变传统二维的无线设计方式。

当然，Massive MIMO也面临天线拓扑、信道建模、FDD操作、用户跟踪、天线校准、调度和预编码复杂性等挑战

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