Massive MIMO是5G普及的關(guān)鍵

　　2018年是5G部署關(guān)鍵性的一年，今年6月份3GPP組織正式發(fā)布第一版5G標(biāo)準(zhǔn)(R15行動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn))，預(yù)示著5G商用化已經(jīng)提上日程，并且正在加快速度向人們走來(lái)。當(dāng)前中國(guó)工信部已經(jīng)確立了5G中頻頻段為3.3-3.6GHz、4.8-5GHz，但國(guó)際主流頻段為28GHz，同時(shí)由于中低頻段資源有限，因此大部分5G網(wǎng)絡(luò)未來(lái)將部署在高頻頻段，及毫米波頻段，而5G的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)——大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)(Massive MIMO)的出現(xiàn)，或許可以解決5G當(dāng)前所面臨的問(wèn)題，例如高企的建設(shè)成本。

　　近年來(lái)，隨著5G標(biāo)準(zhǔn)的逐步確定，5G的部署已有序展開(kāi)。5G相關(guān)頻譜的分配即將塵埃落定，5G的商用化已經(jīng)進(jìn)入倒計(jì)時(shí)。相比于4G，5G的一大特點(diǎn)便是頻率更高，速度更快，能承載的信息量也更多，于此相對(duì)應(yīng)的是波長(zhǎng)更短，信號(hào)傳輸衰減加劇，穿透性減弱等問(wèn)題。

　　當(dāng)前我國(guó)5G頻段主要在6GHz以下進(jìn)行開(kāi)放，這也是為了讓中國(guó)4G設(shè)備得到充分的利用，繼而順利過(guò)渡到5G，但未來(lái)高頻率5G才會(huì)體現(xiàn)其技術(shù)真正實(shí)力。而高頻5G會(huì)產(chǎn)生毫米波，雖然毫米波能帶來(lái)諸多便利，但正如3GPP關(guān)于5G的標(biāo)準(zhǔn)解釋中寫(xiě)到，隨著移動(dòng)通信使用的無(wú)線(xiàn)電波頻率的提高，路徑損耗也隨之加大。

　　那么要如何來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題呢?由于國(guó)家對(duì)天線(xiàn)功率有上限限制，因此無(wú)法隨意增加天線(xiàn)發(fā)射功率;同時(shí)也無(wú)法改變發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)的距離，因?yàn)橛脩?hù)隨時(shí)都可能改變位置;當(dāng)然也無(wú)法無(wú)限的提高發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)的增益，因?yàn)檫@受限于天線(xiàn)材料的物理規(guī)律。因此唯一可行的解決辦法就是增加發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)的數(shù)量，設(shè)計(jì)多天線(xiàn)陣列。

　　假設(shè)使用天線(xiàn)尺寸相對(duì)無(wú)線(xiàn)波長(zhǎng)為固定的(通常為1/4波長(zhǎng)至1/10波長(zhǎng))，那么載波頻率提高將意味著天線(xiàn)越來(lái)越小，這意味著在同樣的空間中可以塞入更多的高頻段天線(xiàn)。基于此，可以通過(guò)增加天線(xiàn)數(shù)量來(lái)彌補(bǔ)路徑損耗，同時(shí)也不會(huì)增加天線(xiàn)陣列的尺寸，Massive MIMO技術(shù)也就此誕生。

　　“Massive MIMO和毫米波是5G兩個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)，Massive MIMO通過(guò)大規(guī)模的提高基站端和用戶(hù)端的天線(xiàn)數(shù)量來(lái)提高系統(tǒng)整體的吞吐效率;毫米波通信則選擇毫米波頻段，比如28G，38GHz，60GHz等頻段進(jìn)行通信?！泵绹?guó)國(guó)家儀器射頻和軟件定義無(wú)線(xiàn)電技術(shù)市場(chǎng)工程師屠方澤在接受《華強(qiáng)電子》記者采訪(fǎng)時(shí)表示，“通過(guò)毫米波高頻的通信有兩個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)，首先毫米波頻段內(nèi)可利用的頻率資源較多，系統(tǒng)帶寬通常超高800MHz，從而可以顯著提高吞吐量，其次天線(xiàn)長(zhǎng)度通常和波長(zhǎng)相關(guān)，毫米波頻段的天線(xiàn)較短，從而在更小的尺寸內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)Massive MIMO系統(tǒng)?！?/p>

　　就職于某國(guó)際光學(xué)半導(dǎo)體公司的一高管向記者透露：“基于5G的發(fā)展和需求，Massive MIMO無(wú)線(xiàn)解決方案一直被認(rèn)為是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，是唯一可以十倍或以上提升系統(tǒng)容量的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。針對(duì)Massive MIMO無(wú)線(xiàn)解決方案，從之前的原型機(jī)到今后的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)乃至大規(guī)模商用部署，低成本、高集成、高效率成為Massive MIMO無(wú)線(xiàn)解決方案的幾個(gè)重要趨勢(shì)。"

　　不止對(duì)高頻段5G有很好的效果，對(duì)于目前6GHz以下，Massive MIMO也作用明顯。是德科技(中國(guó))有限公司華南區(qū)總經(jīng)理Franklin So表示：“根據(jù)運(yùn)營(yíng)商的測(cè)試結(jié)果，6GHz 以下的Massive MIMO基站應(yīng)對(duì)增強(qiáng)覆蓋、提升容量方面有顯著的作用。裝備毫米波技術(shù)的基站普遍采用通過(guò)Massive MIMO 天線(xiàn)的波束賦形技術(shù)，以克服電磁波傳播路損的損耗，實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)和基站小型化和商用化。Massive MIMO 技術(shù)是5G的標(biāo)志性技術(shù)，Massive MIMO技術(shù)會(huì)隨著運(yùn)營(yíng)商部署場(chǎng)景的逐漸明確，加速發(fā)展?！?/p>

　　對(duì)于Franklin So的看法屠方澤也表示認(rèn)同：“在6GHz以下，NI提供MIMO應(yīng)用框架參考設(shè)計(jì)系統(tǒng)，基站端天線(xiàn)數(shù)量靈活可配置，可以實(shí)現(xiàn)4～128天線(xiàn)系統(tǒng)，并且可實(shí)現(xiàn)單天線(xiàn)和多天線(xiàn)模擬用戶(hù)。”同時(shí)針對(duì)5G頻段范圍廣的問(wèn)題，屠方澤表示可以通過(guò)靈活性的系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行適應(yīng)，并覆蓋毫米波頻段：“首先，通過(guò)使用同樣的基帶和中頻模塊，更改前端的射頻頭模塊，可以靈活覆蓋不同的毫米波頻段;其次，目前5G NR的協(xié)議還在定義中，我們提供軟件定義無(wú)線(xiàn)電開(kāi)放的平臺(tái)，在40GHz以上基本的參考設(shè)計(jì)是使用單載波的系統(tǒng)，40GHz以上使用CP-OFDM的系統(tǒng)，同一個(gè)硬件平臺(tái)可以使用LabVIEW軟件快速更改相關(guān)代碼實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議以及協(xié)議算法的更改?！?/p>

　　顯然，Massive MIMO對(duì)于5G的普及起到了關(guān)鍵的作用，但同時(shí)，由于頻段相比4G更高，要想做到4G同樣的覆蓋程度，其建設(shè)的基站數(shù)量必然會(huì)更多。這也會(huì)引發(fā)一個(gè)問(wèn)題，某光學(xué)半導(dǎo)體公司高管表示：“5G的部署無(wú)論對(duì)無(wú)論是小蜂窩系統(tǒng)還是大規(guī)模MIMO系統(tǒng)都面臨功耗、尺寸和重量等多方面的挑戰(zhàn)。相比目前的4G網(wǎng)絡(luò)，5G通道數(shù)量將有明顯增加，這將直接導(dǎo)致整機(jī)的成本大幅提高。在這樣的背景下，對(duì)于大規(guī)模商用部署，低成本方案就變得尤為重要?！?/p>

　　因此現(xiàn)如今國(guó)家主要采用6GHz以下頻段為5G前期使用頻段，這不僅是為了讓用戶(hù)與運(yùn)營(yíng)商能夠在前期順利的從4G過(guò)渡到5G當(dāng)中，更是為了避免直接建設(shè)高頻段5G基站的高成本問(wèn)題。