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5G系列文章之“为什么5G NR需要Massive MIMO》?”

sibbsabb 2020-05-26 原创代写 422 ℃ 0 评论

5G大规模MIMO的主要原因是“没有其他选择”。我们很有可能在5G中使用非常高的频率(毫米波)信号。高频意味着单天线的尺寸会非常小,接收孔径(接收能量的面积)会非常小。为了克服接收侧高频小接收孔径的缺点,需要使用大量的传输天线。

这将可能是最主要原因,但一旦我们采用大规模MIMO技术,我们可以享受一些大阵列天线带来的其他的优势,这将在后面描述。

现在让我们来为什么是“没有其他选择”?

假设我们有一个传输天线和一个接收天线,距离为R,如下图所示。

如果发射天线发射的信号功率为Ptx,那么接收到的信号功率是多少?假设理想条件,则接收功率可表示为:这是你们在高中物理中熟悉的形式,叫做平方反比法则。接收功率与传输天线距离的平方成正比减小。例如,如果距离增加两倍,接收到的功率就会减少4倍。

这听起来似乎很简单。该理想方程不包含任何有关频率或接收天线增益的参数。这意味着接收到的信号功率不受信号频率或接收天线增益的影响。但从我们在无线电通讯中的常识来看,我们知道这不是真的。在实际生活中,接收到的信号功率受频率(波长)和接收天线增益的影响。如果我们将数学模型改进为包含频率(波长)和接收天线增益的模型,模型可以描述如下。根据这个方程,得到的功率与波长的平方成正比。例如,假设天线增益不变,频率增加2倍(这意味着波长缩短2倍),接收功率减少4倍。

正如我之前提到的,我们将在5G中使用更高的频率(意味着更短的波长)信号。这意味着接收到的功率将大大低于目前的通信系统。例如,如果我们在当前的通信中使用2ghz频率,在5G中使用20ghz频率,那么20ghz的波长比2ghz的波长短10倍。这意味着在20ghz时接收到的功率将比在2ghz时接收到的功率低100倍。

在实际中,情况变得更加复杂,因为不仅接收天线增益,而且传输天线增益也起作用。如果我们将传输天线的增益加入到方程中,它会变成如下所示。

现在让我们考虑如何克服高频下接收功率的急剧下降。换句话说,问题是“我们如何能让Prx变大?”数学上很简单。您可以通过如下设置参数来获得更大的Prx。

1)增加Ptx(发射功率)

2)减小发射机与接收天线之间的距离。

3)增加波长(使用低频)

4)增加接收天线增益

5)增加发射天线增益。

在现实生活中,我们可以使用所有这些选项吗?很遗憾答案是“NO”。为什么是“NO”呢?让我们一个接一个地看看这些选项,并考虑哪一个可以在现实生活中应用。

选项1)可以做到一定程度,但我们不能将发射机功率增加到我们想要的程度。

选项2)很显然不可能,因为我们不可能按照我们自己的意愿随意改变发射机和接收机距离。

选项3) 很显然也不太可能,一旦我们(标准组织和每个网络运营商)决定使用一定的频率,我们就必须遵循它。我们不能随心所欲地改变,不是想怎样就怎样的。

选项4)和选项5)很显然,这两个可以是可行的解决方案。增加天线增益可能不容易,但至少没有人(标准组织,网络运营商)不阻止我们尝试增加天线增益。

那么我们如何增加天线增益呢?我们可以通过设计(比如形状,材料等),但通过设计获得的增益改善量不能大到补偿由于频率增加而造成的大量功率降低。在这种情况下,几乎唯一的方法就是增加天线的数量,这也是使用大量MIMO的主要动机,如下图所示。

除了增加接收功率外,Massive MIMO还提供了其他几个优点。

根据“下一代无线系统大规模MIMO”思想,大规模MIMO的潜在优势描述如下:

大量的MIMO可以增加10倍以上的容量,同时提高100倍左右的辐射效率。

大规模MIMO可以用低成本、低功耗建造。

大规模MIMO能够显著降低空中接口的延迟(由于对衰落的鲁棒性)。

大规模MIMO简化了多层访问。

大规模MIMO增强了对意外人为干扰和有意干扰的鲁棒性。

从3GPP R1-136362([6])发现了另一个关于很好的描述了MassiveMIMO动机和挑战的说法,如下。

如果我们假设我们使用的是相对于波长固定的天线尺寸 (比如大小为1/4波长、1/2波长等),随着载流子频率的增大,路径损耗增大。

这意味着天线的绝对物理尺寸随着载频的增加而减小。这意味着我们可以把更多的天线放在相同的区域在更高的载波频率。基于这一事实,我们可以在不增加天线阵总尺寸的前提下,通过增加天线数目来补偿高载波频率下的高路径损耗。

随着载波频率增加到10ghz以上,衍射将不再是主要的传播机制。在这种频率下,反射和散射将成为非视线传播链路最重要的传播机制。

随着载波频率的增加,传播到建筑物内的穿透损失趋于增加。这意思就是说,这么高的频率下将基站部署在室外,覆盖室外的同时,又想很好的解决深度覆盖是演绎现实版“婊子立牌坊”的故事。

使用massive MIMO,我们可以实现高增益自适应波束形成,这将产生增加覆盖的效果,并在系统中产生更少的干扰(因为波束宽度变得非常窄)。

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