2.3 大规模MIMO技术
多天线技术经历了从无源到有源，从二维（2D）到三维（3D），从高阶MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）到大规模阵列的发展，能充分利用空间资源，增加无线信道的有效带宽，大大提升了通信系统的容量，有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高。
所谓多天线传输技术，即在发送端和接收端均使用多根天线进行数据的发送和接收。一般来说，多天线传输和接收能够提供阵列增益、分集增益、空间复用增益、干扰抑制增益。
阵列增益是当发射端知晓信道状态信息时，通过来自发射端的多天线的相干合并效应使得接收端的信噪比增加。分集增益在无线信道中被用来对抗衰落。空间分集以空间独立衰落分支的数量为特征，也就是所知的空间分集重数，分集可降低接收机中的功率波动（或衰落）。空间多路复用使得传输速率（或容量）对同样的带宽出现线性增长而不会有附加的功率消耗。抑制干扰能力是由于无线信道中会发生共信道干扰，当使用多天线时，利用得到的信号空间特征和共信道信号之间的差别来抑制干扰。
无线信道传播的多路径导致信号在不同的维度中传播，这些是：
·延迟扩展——频率选择性衰落（相干带宽和时延扩展）；
·多普勒扩展——时间选择性衰落（相干时间和多普勒扩展）；
·角度扩展——空间选择性衰落（相干距离和角度扩展）。
延迟扩展、多普勒扩展和角度扩展是信道的主要效应，这些扩展对信号有巨大的作用。角度扩展是信道的空间特征，它引起空间选择性衰落，这就意味着信号的幅度由天线的空间位置决定，两天线的相干距离与空间信道的角度扩展成反比——角度扩展越大，相干距离越短。“空间”意味着天线放置在空间分离的位置，由于散射环境不同，空间分离是否充分取决于环境和天线的距离。
因终端侧的角度扩展大，终端天线间隔半个波长，也可获得相对较低的空间相关值。室外基站天线高，基站侧的角度扩展较小，基站天线如果间隔半个波长，天线之间是高度相关的，需要10个波长的距离才能获得较低的相关值。
基站天线体积、耗电以及计算复杂度都比终端拥有更多的自由度。从实现的代价来看，典型的基站比终端拥有更多天线。同时，由于上下行数据速率的需求往往是不对称的，下行速率需求一般远高于上行速率需求，从而下行方向成为发射瓶颈，因此多天线技术的关键是下行多天线发射技术。
4G系统采用的OFDM技术是一种适于在多径环境中应用的宽带传输技术，但OFDM系统本身并不具有分集能力，因此有必要采用相应的分集技术来获得更高的可靠性。发射分集在4G系统中进行高速数据传输和改善功率效率有很大作用。发射分集要求信号必须经过预处理才能充分发挥其性能。
4G中的两天线发射分集主要采用空频块码（SFBC）。SFBC最简单也是最好的，它采用为二天线发送设计的Alamouti code，可以获得全部的空间分集增益，并保证编码速率为1。
图2-5给出了4G中两个发射天线的发射分集方案。
图2-5 两个发射天线的发射分集
终端一个接收天线的接收信号为
其接收判决统计量可以写为
在发射天线=2，接收天线=1下获得2阶发射分集增益。
4个天线发射分集采用的是两个Alamouti code的欠理想分集，即4个天线传输两组空频块码。
可见4个天线发射也仅仅获得2阶的空间分集，因为4个频率点上的两组空频块码采用的是不同天线，空间分集转化为频率分集，但是如果没有恰当的外部编码，那么只能获得二天线发射分集一样的性能。
多天线技术领域的一个主要应用是空间复用，利用空域提高信号传输速率。空间复用是在发送端的不同天线上发送多个编码的数据流，增大容量，其带宽利用率增加。空间复用技术分为开环空间复用和闭环空间复用，其中开环空间复用不要求事先知道信道的状态信息，闭环空间复用技术则要求事先知道信道的状态信息。
开环空间复用是当信道的秩RI＞1时，利用多天线发送多个数据流，5G系统中的开环空间复用空间预编码为
首先，进行延时（CDD）操作，大延时CDD矩阵D（i）对于一个给定的信道秩RI=v通过DFT矩阵U进行数据流到虚天线的映射，同时完成了虚天线的选择。虚天线的选择通过码字的循环增加了频率分集增益，最后空间预编码矩阵W（i）将各虚天线的信号映射到物理天线端口上，如图2-6所示。
图2-6 虚天线的信号与物理天线端口的映射
闭环空间复用技术则要求事先知道信道的状态信息（CSI），多个发送的数据流在发送之前进行预编码（pre-coding）操作，如图2-7所示。
图2-7 预编码（pre-coding）操作
发送端的最优预编码矩阵W是根据已知的信道H，采用SVD分解H=U∧V H，W为H的非零特征值对应的特征矢量，即W=V。
假设λ1≥λ2≥…≥λv是矩阵H的v个非零特征值，预编码表示为
则终端接收信号为r=H y+n=HV x+n
如果定义：
=V H x
=U H r
=U H n
则
即
可见，通过SVD（Singular Value Decomposition，奇异值分解）可以把MIMO信道转变为多个并行传输信道。发射的数据流应该小于信道的秩。信道的秩取决于空间分离是否充分，即取决于环境和天线的距离。当信道空间分离充分，即天线之间弱相关时，信道有几个较大的非零特征值，这些特征值提供了几个并行的信道，可以传输并行的数据流，从而增加系统的数据率。当发送端知道信道的状态信息时可以采用单独信道模式接入，每个信道的特征矢量对应一个信号空间模式，避免了信号向噪声空间发射，当发送端不知信道信息时单独信道模式是不可接入的。
闭环空间复用需终端反馈信道状态信息，反馈字节的长度是有限的，反馈的开销是应用闭环空间复用需要考虑的关键问题。5G系统中的闭环空间复用其预编码矩阵W被量化为有限的矩阵，称为码本（code book），该码本终端和基站都是知道的。首先终端根据系统设计的公共导频获得空间信道状态信息，按一定的准则从码本中选择W，将选择的码本索引号反馈给基站。
闭环模式需跟踪信道H的瞬时变化，要求很高的反馈速度。量化损失和控制延迟是闭环反馈模式中主要的误差来源，快衰落信道下反馈延迟会恶化闭环模式的工作性能。如果信道变化慢，进行闭环空间复用预编码可提高链路性能。
5G标准支持波束赋形技术，该技术是针对基站使用小间距的天线阵列，为用户形成特定指向的波束。当天线之间高度相关时，信道具有结构性，在结构化的信道中有一个很强的主特征值，其他大部分的特征值都几乎为零，主特征值对应集中了大部分的信道能量，此时，最佳的方法是在主特征值方向发射一个数据流，终端收到的信号有最大的接收功率，并降低对其他方向的干扰，如图2-8所示。
波束赋形降低对其他方向的干扰。
设波束赋形加权矢量为W，基站天线上的发射信号为
因强相关信道是结构化的，其几何特性可以由信道的长期统计特性决定。此时，只需知道信道的统计特性，而不是信道本身，信道的协方差矩阵中能得到信道结构的长期信息：
波束赋形加权矢量W取值为协方差矩阵R的最大特征值对应的特征矢量，相关信道下信道协方差矩阵最大特征值对应的特征矢量与信道的方向很好地吻合。
图2-8 波束赋形
波束赋形加权矢量W的一个很大好处是能够由上行链路估计，也能由下行链路估计。例如，下行可以利用公共导频估计获得H，上行可以利用解调数据的导频获得H。因强相关信道的几何特性是随时间慢变的，且不同频率来说几何性质也是相同的，由上下行信道计算出来的协方差矩阵的特征矢量与信道的方向都能很好地吻合，而且波束赋形技术整个带宽只需计算一个波束赋形矢量。用户数据采用波束赋形后，其解调数据需要专用导频，因加权矢量W是任意的、非码本的，5G系统支持用户专用导频。
在5G系统中，继续采用了多天线技术，并且是大规模的MIMO技术。
MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）技术是目前无线通信领域的一个重要创新研究项目，MIMO系统在发射端和接收端均采用多个天线和多个通道，发射端通过空时映射将要发送的数据信号映射到多根天线上发送出去，接收端将各根天线接收到的信号进行空时译码从而恢复出发射端发送的数据信号。其基本原理如图2-9所示。
图2-9 MIMO系统原理
传输信息流S（k）经过空时编码形成M个信息子流C i（k），i=1，2，…，M，这M个子流由M个天线发送出去，经空间信道后由N个接收天线接收，多天线接收机能够利用先进的空时编码处理技术分开并解码这些数据子流，从而实现最佳处理。MIMO是在收发两端使用多个天线，每个收发天线之间对应一个MIMO子信道，在收发天线之间形成M×N信道矩阵H，在某一时刻t，信道矩阵为
式中，H的元素是任意一对收发天线之间的增益。
M个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一个频带，因而并未增加带宽。若各发射天线间的通道响应独立，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行的信道独立传输信息，必然可以提高数据传输速率。对于信道矩阵参数确定的MIMO信道，假定发射端总的发射功率为P，与发送天线的数量M无关；接收端的噪声用N×1矩阵n表示，其元素是独立的零均值高斯复数变量，各个接收天线的噪声功率均为σ2；ρ为接地端平均信噪比。此时，发射信号是M维统计独立，能量相同，高斯分布的复向量。发射功率平均分配到每一个天线上，则容量公式为
固定N，令M增大，使得
，这时可以获得到容量的近似表达式为
式中，det代表行列式，I、N代表M维单位矩阵，HH H表示H的共扼转置。
从式（2.3）可以看出，此时的信道容量随着天线数的增加而线性增大。即可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发射功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高，充分展现了MIMO技术的巨大优越性。
MIMO大致可以分为两类：空间分集和空分复用。
（1）空间分集：每个发送相同的信息，对抗多径干扰。
空间分集是指利用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送出去，同时在接收机端获得同一个数据符号的多个独立衰落的信号，从而获得分集提高的接收可靠性。举例来说，在瑞利衰落信道中，使用一根发射天线n根接收天线，发送信号通过n个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。目前在MIMO系统中常用的空间分集技术主要有空时分组码（Space Time Block Code，STBC）和波束成形技术。STBC是基于发送分集的一种重要编码形式，其中最基本的是针对二天线设计的Alamouti方案。
（2）空分复用：每个天线发送不同信息，提升传输速率，频谱利用率。
空分复用（spatial multiplexing）工作在MIMO天线配置下，能够在不增加带宽的条件下，相比SISO（单输入单输出）系统成倍地提升信息传输速率，从而极大地提高了频谱利用率。在发射端，高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数据流，不同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段上发射出去。如果发射端与接收端的天线阵列之间构成的空域子信道足够不同，即能够在时域和频域之外额外提供空域的维度，使得在不同发射天线上传送的信号之间能够相互区别，因此接收机能够区分出这些并行的子数据流，而不需付出额外的频率或者时间资源。空间复用技术在高信噪比条件下能够极大地提高信道容量，并且能够在“开环”，即发射端无法获得信道信息的条件下使用。Foschini等人提出的“贝尔实验室分层空时”（BLAST）是典型的空分复用技术。
MIMO通过智能使用多根天线（设备端或基站端），发射或接受更多的信号空间流，能显著提高信道容量；而通过智能波束成型，将射频的能量集中在一个方向上，可以提高信号的覆盖范围。这两项优势足以使其成为5G NR的核心技术之一，因此我们一直在努力推进MIMO技术的演化，比如从2×2 MIMO提高到了目前4×4 MIMO。但更多的天线也意味着占用更多的空间，要在空间有限的设备中容纳进更多天线显然不现实，所以，只能在基站端叠加更多MIMO。从目前的理论来看，5G NR可以在基站端使用最多256根天线，而通过天线的二维排布，可以实现3D波束成型，从而提高信道容量和覆盖。
MIMO技术已经广泛应用于WIFI、LTE等。理论上，天线越多，频谱效率和传输可靠性就越高。
大规模MIMO技术可以由一些并不昂贵的低功耗的天线组件来实现，为实现在高频段上进行移动通信提供了广阔的前景，它可以成倍提升无线频谱效率，增强网络覆盖和系统容量，帮助运营商最大限度地利用已有站址和频谱资源。
下面以一个20 cm2的天线物理平面为例，如果这些天线以半波长的间距排列在一个个方格中，则：如果工作频段为3.5 GHz，就可部署16副天线；如工作频段为10 GHz，就可部署169根天线。天线阵列如图2-10所示。
阵列天线部署数量如图2-11所示。
3D-MIMO技术在原有的MIMO基础上增加了垂直维度，使得波束在空间上三维赋型，可避免了相互之间的干扰。配合大规模MIMO，可实现多方向波束赋型，如图2-12所示。
图2-10 天线阵列
图2-11 阵列天线部署数量
图2-12 多方向波束赋型