5G（三）5G 关键技术 -- 6.Massive MIMO

一、Massive MIMO = Spatial Multiplexing + beamforming

1. 香浓公式

$\displaystyle C=N \cdot B \log_2 (1+{S \over N})$
5G 的一个重要目标：增加系统带宽 (增加容量或是提高速率)
N：多个通信的通道（多通道 -> 空间复用 ->MIMO）
B：信道带宽（大带宽 -> 毫米波 -> 波束形成 beamforming）
$S \over N$：信噪比（高接收功率 -> 高发射增益 -> 波束形成 beamforming）
毫米波的劣势：抗衰减能力差，所以也有增大发射功率的需求
$\displaystyle P_r = P_t {G_tG_r \lambda^2 \over (4 \pi R)^2}$
增大接收功率 $P_r$ 的方法：
增大发射功率 $P_t$：有限制
缩短基站到终端的距离 (密集的基站部署)：成本太高
增大波长：低频带宽不够
增大接收增益：有困难
增大发射增益：可行 -> 基站的天线数量增加

2.Massive MIMO 的定义

Massive MIMO 利用 MIMO 技术并使用数十根甚至上百根天线将传统 MIMO 天线系统扩展为大规模天线阵列，从而利用大规模天线阵列所提供的波束赋形技术聚焦传输和接收信号的能量到有限区域，来提高能量效率和传输距离，并利用 MIMO 的空间复用技术提高传输速率。

三、Beamforming 的特点及优势

1. 降低基站功率

2. 降低时延

3. 抵抗干扰

4. 提高数据传输速率

5. 增大小区范围

四、Beamforming 和 Beam steering 原理

 并列的多个振天线振子可以使发射信号形成方向性 -- 波束赋形（beamforming）
（均匀向各个方向扩散，变成集中向某个方向发射）
多个振子之间的相对相位改变使发射信号的方向变化 -- 波束导向（beam steering）

Beamforming 原理

纵向方向信号增强，垂直方向信号减弱。
纵向方向信号减弱，垂直方向信号增强。
结论：通过增加振子，并排列摆放方向，可以调整信号传输方向。并且振子的相位不同，信号增强和减弱的方向也不同。

Beamforming 波束

两个振子之间的距离是 $\displaystyle {\lambda \over 2}$ 的时候，得到最大的主瓣



多个振子之间的距离越大，会使主瓣越窄



振子数量越多，主瓣功率越大，虽然主瓣功率变大，但是旁瓣所占的比例也变大



结论：在设计波束赋形系统的时候，要使得主瓣的强度和宽度都合适

Beam steering 原理

3D-Beamforming

Beamforming 过程

形成波束 -> 波束方向改变 -> 抑制波瓣

Beamforming 类型

Beamforming = 多天线 + 改变相位
改变相位可以用模拟方式，也可以用数字方式
模拟方式：移向器；数字方式：基带编码

Q: 为什么要用混合的

Beamforming-digital

两个天线可以用四种波束赋形的方式，如图所示
index=1，相位相差 90 度，波束角度就是 30 度
index=2，相位相差 180 度，

Beamforming-analog

Beamforming-hybrid

在数字侧不管 Beamforming，只做 Multiplexing 和 MIMO，使得 recording 发挥优势

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5G（四）5G 网络架构 — 1. 核心网架构
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