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『』大规模MIMO和波束成形：5G关键技术背后的信号处理

随着对高速移动数据的需求的增加 ， 需要提高我们从无线基站发送和接收数据的效率 。
对高速移动数据的渴望是永无止境的 。随着我们在稠密的城市环境中可使用的RF频谱越来越接近于饱和 ， 越来越明显的是 ， 有必要提高我们从无线基站发送和接收数据的效率 。
由大量天线组成的基站在同一频率资源上同时与多个空间上分离的用户终端进行通信并利用多径传播是实现提升这一效率节省频谱资源的一种选择 。该技术通常称为大规模MIMO（多输入 ， 多输出 ， Massive MIMO） 。您可能已经听说过大规模MIMO（Massive MIMO） ， 描述为带有大量天线的波束成形技术 。但这提出了另外一个问题：什么是波束成形？
波束成形与大规模MIMO
波束成形（Beamforming）这个词对不同的人意味着不同的意思 。波束成形是使天线阵列的辐射方向图适应特定环境情况的能力 。如图1所示 ， 在移动蜂窝通信领域 ， 许多人认为波束成形是对将功率波瓣朝着用户的特定方向的操纵过程 ， 如图1所示 。相对幅度和相移应用于每个天线元件 ， 以允许来自天线阵列的输出信号以针对特定的发射/接收角度相干相加 ， 并针对其他信号相互破坏性地抵消 。通常不考虑阵列和用户所处的空间环境 。这确实是波束成形的基本原理 ， 但这只是它的一种特定实现方式 。
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图1.传统的波束成形
大规模MIMO在这个术语的更一般意义上可以被认为是波束成形的一种形式 ， 但与传统形式相比却大相径庭 。大量（Massive）只是指基站天线阵列中的大量天线； MIMO是指天线阵列在相同的时间和频率资源中满足多个空间上分离的用户的事实 。Massive MIMO（大规模MIMO）还承认 ， 在实际系统中 ， 天线与用户终端之间传输的数据（反之亦然）正在经历来自周围环境的滤波效应 。信号可能会被建筑物和其他障碍物反射 ， 并且这些反射将具有相关的延迟 ， 衰减和到达方向 ， 如图2所示 。在天线和用户终端之间甚至可能没有直接的视线电波 。事实证明 ， 可以将这些非直接传输路径用作好的信号功率 。
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图2.天线阵列和用户之间的多径环境
为了利用多径电波 ， 需要表征天线元件和用户终端之间的空间信道 。在研究文献中 ， 这种响应通常称为信道状态信息（CSI） 。该CSI是每个天线和每个用户终端之间的空间传递函数的有效集合 。如图3所示 ， 该空间信息被收集在矩阵（H）中 。CSI用于对天线阵列发送和接收的数据进行数字编码和解码 ， 本文的下一部分将讨论CSI的概念以及如何更详细地收集它 。
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图3.表征大型MIMO系统所需的信道状态信息
表征基站和用户之间的空间信道
一个有趣的类比是考虑一个气球在一个位置弹出或者刺穿 ， 而该弹出或刺穿的脉冲声音记录在另一位置 ， 如图4所示 。在麦克风位置记录的声音是一种到气球和麦克风在周围环境中的特定位置的空间脉冲响应 ， 其中包含唯一的信息 。与直接路径相比 ， 从障碍物反射的声音会衰减并延迟 。
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图4.用音频类比 ， 来展示信道的空间特征
如果我们扩大类比以与天线阵列/用户终端的情况进行比较 ， 则我们需要更多的气球 ， 如图5所示 。请注意 ， 为了表征每个气球和麦克风之间的信道 ， 我们需要以 分开的时间 ， 这样麦克风就不会记录不同气球重叠的反射 。如图6所示 ， 还需要确定另一个方向的特征 。在这种情况下 ， 当气球在用户终端位置弹出时 ， 所有记录都可以同时进行 。这显然省时得多！


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