什么是MIMO？MIMO基础知识和主要应用场景介绍

智能手机和平板电脑的激增，所带来的日益增长的远程通信流量，超过了无线通信网络容量的增长。作为一种强有力的对策，在信道矩阵满秩的情况下，MIMO技术有可能在适当增加天线数量的情况下线性增加容量或减少发射功率。在5G和后续演进的无线通信技术中，MIMO将进一步发展。本文针对MIMO的主要应用场景做简要介绍。

应用场景的定义是研究的一个重要步骤，可为关键技术的开发提供指导。如下表所示，所有这些不同网络部署下的场景大致可以分为两种类型，即Case 1 ：只有宏站部署的同构网络（HomoNet）和Case2：具有宏站和小站的异构网络（HetNet）。

典型应用场景

下面我们分别来看看同构网络场景和异构网络场景。

同构网络场景

1.Multi-Layer分区

随着城市环境中终端数量和承载的远程业务的增加，需要增加系统容量以满足客户需求。

传统上，功能分区技术用于向不断增长的人口提供服务，它只是将一个单元划分为多个扇区，从而增加网络容量。通过允许一个eNB服务三个120°扇区或六个60°扇区，也可以降低设备成本。然而，尽管扇区化能够改善区域带宽效率（BE），但这种好处是由于以牺牲非理想扇区-天线模式而可能增加扇区之间的干扰为代价的。因此，需要更有效的技术来进一步提高可实现的网络容量。

如图1所示，通过水平进行高选择性角波束形成，可以实现大规模MIMO系统的精确扇形，可以减少扇形之间的干扰。此外，通过调整三维波束形成的仰角，可以改变各波束的覆盖范围。这样，传统的固定扇区可以进一步划分为内扇区和外扇区，每个扇区都可以由水平方向相同但仰角不同的三维波束赋形（BF）服务。相同频率的无线电资源被所有扇区重用，这能够显著增加服务的终端数量和/或提高网络吞吐量。

图1 Multi-Layer分区示意图

2.自适应波束赋形

固定BF之所以被称为固定BF，是因为天线阵列（AA）中每个元素的信号相乘的权重在操作过程中保持不变。相反，自适应BF的权值会根据接收到的信号不断更新，以抑制空间干扰，如图2所示。这个过程可以在时域（TD）或频域（FD）中进行。与二维（2D）自适应BF相比，三维（3D）BF在空间域的无线电资源复用方面具有更大的灵活性。

图2 自适应波束赋形示意图

3.大规模协作

现有的大多数关于大规模MIMO的研究都显示了在一个单一基站上安装大量天线的共存部署方案的不同好处。然而，这种协同部署对其硬件设计和现场部署都带来了挑战。另一方面，与空间分离天线相关的分布式天线系统（DAS）已被设想为使用适当数量的天线来提高室内覆盖。最近的研究表明，DAS除了改善其覆盖范围外，还能够显著增加网络的BE，即使在存在小区间干扰（ICI）。这促使研究人员识别如图3所示的特定场景，其中大规模MIMO与分布式架构相关联的系统优于依赖于共位置部署的系统。

图3 大规模协作示意图

分布式大规模MIMO的优势是可信的，因为从分布式天线到达每个UE的信号受独立的大规模随机衰落水平的影响，从而导致其潜在的容量增益超过其对应的值。然而，通过协调小区内干扰来实现这些增益可能是一个挑战，特别是在小区内有几十个甚至数百个射频拉远单元（RRU）的情况下。虽然充分协作是消除小区内干扰的一种有效方法，但由于它高度依赖于完全信道状态信息（CSI）共享，因此不具有实用性。为了在达到的性能和施加的开销之间达成优雅的平衡，在这种情况下，高效的大规模协作方案是非常重要的。

此外，分布式大规模MIMO和小型单元部署可能被视为互补而不是竞争。例如一些文献提出的由DAS和皮站蜂窝-宏站蜂窝底层系统组成的协同蜂窝体系结构，该体系结构可以扩展到与分布式大规模MIMO协同工作。

异构网络场景

1.无线回传

在能耗和面积带宽效率方面，具有密集small cell的HetNet被认为是一种很有前途的设计结构。它通常由多种类型的无线接入节点组成，例如，一个macroc -cell eNB （MeNB）和多个small-cell eNB （SeNB），如pico， femto和中继eNB。所有senb需要通过有线或无线回程连接到他们的捐赠menb。一般来说，无线回程比有线回程更可取，因为易于部署。在这种情况下，在HetNet中，MeNB上使用了一个巨大的MIMO，它有很高的自由度支持多种无线回传。

如图4所示，相同的频谱可以在无线回程、宏蜂窝终端（MUE）和小蜂窝终端（SUE）的访问中重复使用。换句话说，SeNB可以被视为一种通过无线回程与MeNB通信的特殊终端。由于eNB的位置通常是固定的，无线回程的信道可能是准静态时变的。因此，MeNB能够通过预编码的方式消除无线回程与MUE之间的干扰。

图4 无线回传图示

2.热点覆盖

统计数据显示，大部分的远程通信来源于建筑物，如超市、办公楼、体育馆等。因此， 对于HetNet来说，高质量的建筑的室内覆盖被认为是最关键的场景之一。由于远程通信是在建筑物的不同高度产生的，传统的采用固定Downlink （DL）倾斜的AA，主要用于UE在街道层面漫游，不再适合这种场景。大型AA能够动态调整波束的方位角和俯仰角。它可以将光束直接传输到建筑物不同楼层的终端，从而显著提高系统吞吐量。然而，当建筑的室内覆盖由MeNB提供一个巨大的AA，可调节范围俯仰角比SeNB小，角度分辨率不能满足UE的需求，如图5所示。众所周知，SeNB和SUE之间的近距离可以减少路径损失。因此，配备大规模AA的SeNB更适合内置覆盖率，前提是部署成本是可接受的。

图5 热点覆盖示意图

3.动态小区

由于在HetNet中，从MeNB收集到的参考信号接收功率（Reference Signal Received Power， RSRP）通常要高于从SeNB收集到的RSRP，因此可能会有更多的终端连接到MeNB，导致大cell和小cell之间潜在的流量分布不平衡。小区范围扩展（CRE）技术可用于将通信量从宏小区转移到小小区。然而，由于受到MeNB的强干扰，在扩展范围内的UE以某种方式被迫接触到小的cell，可能会经历低SINR。这可能会导致他们之间不可靠的通信SeNB。为了解决这一问题，可以采用几乎空白子帧（ABS）技术，通过时域协调来减少MeNB的干扰。也就是说，服务质量（QoS）的性能以牺牲多路复用增益为代价提高了扩展范围内的多路等效系数。

通过在seNB中引入大量的原子吸收信号，发射信号的下倾角可调，获得了较好的接收质量。如图6所示，它有助于自适应地扩大或缩小cell的半径，即Dynamic cell。因此，位于小cell边缘的UE可以根据其接收功率等级选择自适应连接到SeNB。它适用于扩展范围内的宏小区和小小区之间的流量平衡。

图6 动态小区示意图

总结

本文将大规模MIMO的典型应用场景分为两类，即具有大规模MIMO的同构网络和异构网络。前者仅采用宏站部署，包括多层分区、自适应波束形成和大规模协作。多层扇区能够通过分割扇区来增加复用增益。自适应波束形成利用极窄的波束将辐射能量聚焦到期望方向，能够提高终端的期望信噪比，同时减少对其他终端的干扰。与传统的DAS技术相比，大规模协作通过扩大协调的分布式天线数量，能够进一步提高覆盖范围和可实现吞吐量。

在具有大量MIMO的HomoNet的情况下，有三种典型的应用场景。首先，在MeNB和SeNB之间采用大规模MIMO的无线回程比有线回程更灵活，成本更低。然后，具有巨大AA的SeNB能够自适应调整方位角和仰角，以提高室内热点（如建筑物）的覆盖率。此外，HetNet中的小区半径是动态可调的，可以通过改变仰角来平衡MeNB和SeNB之间的负载。

基于以上讨论，大规模MIMO有望应用于多种场景，以提高可达容量和吞吐量。然而，在实际的网络部署中，仍然需要大量的研究。