大规模MIMO技术ppt课件

大规模MIMO技术 什么是MIMO技术 多输入多输出技术 Multiple InputMultiple Output MIMO 是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线 使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收 从而改善通信质量 它能充分利用空间资源 通过多个天线实现多发多收 在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下 可以成倍的提高系统信道容量 显示出明显的优势 被视为下一代移动通信的核心技术 大规模MIMO产生的背景 传统的MIMO技术并不能满足当代呈指数上涨的无线数据需求 而且面临着计算复杂度高 成本高昂的回程链路的建设 较高的延时等问题 大规模MIMO的概念 2010年底 贝尔实验室科学家ThomasL Marzetta研究了多小区 TDD情况下 各基站配置无限数量天线的极端情况下的多用户mimo技术 提出了大规模MIMO MassiveMIMO 的概念 发现了一些与单小区 有限数量天线时的不同特征 MassiveMIMO技术是指基站天线数目庞大 而用户终端采用单天线接收的通信方式 可作为目前移动通信系统的一种平滑的过度方式 即不必大面积更新用户的终端设备 通过对基站的改造提高系统的频带利用率 如何理解MassiveMIMO呢 1 天线数传统的TDD网络的天线基本是2天线 4天线或8天线 而MassiveMIMO指的是通道数达到64 128 256个 2 信号覆盖的维度传统的MIMO我们称之为2D MIMO 以8天线为例 实际信号在做覆盖时 只能在水平方向移动 垂直方向是不动的 信号类似一个平面发射出去 而MassiveMIMO 是信号水平维度空间基础上引入垂直维度的空域进行利用 信号的辐射状是个电磁波束 原理图 大规模MIMO的优点 1 大幅度提高网络容量 基于多用户波束成形的原理 美国莱斯大学Argos大规模天线阵列原型机 2 因为有一堆天线同时发力 由波速成形形成的信号叠加增益将使得每根天线只需以小功率发射信号 从而避免使用昂贵的大动态范围功率放大器 减少了硬件成本3 在大规模天线下 得益于大数定理而产生的衰落消失 信道变得良好 对抗深度衰弱的过程可以大大简化 因此时延也可以大幅降低值得一提的是 与大规模天线形成完美匹配的是5G的另一项关键技术 毫米波 毫米波拥有丰富的带宽 可是衰减强烈 而大规模天线的波束成形正好补足了其短板 1 想要发挥所有天线的潜力 基站端需要精确的信道信息 直观理解即需事先知道不同目标客户的位置 如何将与用户间的这一信道信息精准地告诉每一根天线是一件很棘手的事情 目前最可行的方案是基于时分双工 TDD 的上行和下行链路的信道对称性 2 为了获得上行链路信息 手机终端需向基站发送导频 可是导频数量总是有限的 这样不可避免地需要在不同小区复用 从而会导致导频干扰 3 另外 很多大规模天线波束成形的算法基于矩阵求逆运算 其复杂度随天线数量和其同时服务的用户数量上升而快速增加 导致硬件不能实时完成波束成形算法 快速矩阵求逆算法是攻克这一难题的一条途径 大规模MIMO正在解决的瓶颈问题 1 天线单元数量2 接收发机设计3 天线频段 三 大规模MIMO技术对5G系统的影响 一个大规模MIMO系统所需的基站天线单元数量取决于具体的情况 当多路复用层小于4时可被设为64 当多路复用层大于8时可被设为128 1 天线单元数量 2 接收发机设计 在上行链路中由于大量天线的存在可以显著的降低用户的发射功率 在MassiveMIMO的下行链路预编码设计中 由于基站处天线数目的大量增加 传统的信道状态信息 CSI 反馈模式已无法适用 这是因为传统的CSI反馈量随着天线数线性增加 当天线数很多时 反馈所需的时间将会远大于信道相干时间 所以当前的MassiveMIMO系统仅考虑用于TDD系统 利用信道互易性交换信息 工作频段是天线的关键参数 随着5G高频段研究的广泛开展 30GHz或更高频段的毫米波通信备受关注 该频段频谱相对宽松 可用带宽也更宽 便于实现容量和频谱效率的显著提升 关于毫米波的诸多重要的问题仍然需要研究 例如 毫米波的传播并不遵循Rayleigh衰落模型 而是更倾向于视距传播或者近似视距传播 对于实现空间复用增益 这一点的重要性显而易见 此外 毫米波频率的使用意味着更高的多普勒偏移 对于一个给定的速度 相干时间可能更短 3 天线频段 如果能够利用一些新的手段使