5G（三）5G 关键技术 -- 6.Massive MIMO 补充
一、MIMO 的来龙去脉
1.MIMO 的思路
无线通信的技术进步动力有很大一部分是不断提高空口速率（例如：手机上传和下载的网速）。
提高网速的一条路径是增加带宽，从 2G 的 0.2MHz 增加到 5G 的 100MHz。
载波聚合 CA 技术也是一种变相增加带宽的技术（例如：4G 3CC 聚合，相当于 60M 带宽）。
增加带宽的效果相当于：一个人徒手搬砖 -> 一个人骑一台自行车搬砖，是让一个人搬砖的能力增加。
MIMO 的思路：找多个人来搬砖。
2.MIMO (多入多出)：多天线技术
MIMO：发射端和接收端都有多个天线
多天线，并不是指有多个天线板。
3. 对于基站来说，是指天线有多套振子，每一套振子都可以看成一个独立的天线。
下左图中，天线板拆开可看到有四列，每一列有 2 套振子，所以总共有 8 套振子 = 有 8 个天线。
（每一列的 X 的一撇的方向是一套振子，另一个方向的撇是另一套振子）
下右图中，每一个小方块是一套振子，T 和 R 是发射和接收的意思
4. 手机也是多天线的
4G 手机是 2 天线的，5G 手机是 4 天线的
二、MIMO 实现效果的分类
1. 空间分集：目的是提升手机的接收质量
采用多个天线发射或接收一个数据流，避免单个信道衰弱对整个链路的影响。
2. 空间复用：目的是提升网速
利用较大间距的天线振元之间或赋形波束之间的不相关性，向一个终端 / 基站并行发射多个数据流，以提高链路容量（数据率）
RANK
RANK 可以理解成手机可以区分的信道数，和传输信道相关性有关。
只有接收端能够区分不相关的两条独立信道，才能够实现空间复用。
RANK=1，就是信道相关性很强，手机无法区分两路信道，只能发挥空间分集的效果。
RANK=2，说明手机可以区分两路信道，可以发挥空间复用的效果，可以接收两路数据流。
对于 4G 来说，RANK=1,2; 对于 5G 来说，RANk=1,2,3,4。
3. 波束赋形（只支持 TDD 模式）（可以发送定向电磁波）
概念
利用较小间距的天线阵元之间的相关性，通过阵元发射的波之间形成干涉，集中能量于某个 (或某些) 特定的方向上，形成波束，从而实现更大的覆盖和干扰抑制效果。
在移动通信中，最早期的应用，是在 3G 技术 TD-SCDMA 系统当中。
理论上也支持 FDD 模式，但是实际应用还没有实现。
2D：用户手机是在水平面上移动的。
天线的要求
(1) 空间分集 2T2R
(2) 空间复用 2T2R
(3) 波束成形
8T8R（最低标准）：TD-SCDMA 和 LTE（4 套振子形成一个波束）
16T16R 及以下：只支持 2D MIMO
32T32R 天线及以上：支持 3D MIMO
波的干涉是波束赋形的技术发想
电磁波的相位是关键因素。
相位的改变，可以带来波束的形成，实际应用中，也伴随着幅度的变化。
总结
空间分集：发送多个相同数据，避免单个信道衰弱对整个链路的影响。
空间复用：提升网速。
波束赋形：多套振子形成定向的电磁波。
如果单纯从提升信号质量的角度，波束赋形的效果比空间分集还要好。
波束赋形如果发送两个波束，也可以实现空间复用的效果。
4. 空分多地（目前在理论阶段，实际实现几乎没有）
三、MIMO 的信息处理流程
前述的空间分集、空间复用、波束成形都是在物理天线到手机的部分。
1. 传输块
传输块 TB：可以简单理解成要给用户发送的原始数据，其实就是一堆 0101000100
帧结构：4G 和 5G 一帧是 10ms，一个子帧 = 一个传输块 = 1ms
一个传输块 = 基站在 1ms 内要发送的数据。
2. 码字
传输块 TB 经过信道编码，交织之后变成码字。一个码字就是一股数据流。
3. 层映射
层
以空间分集为例，一个码字的最后需要两条通道发射出去。因此，构造了层的概念，把原始数据与原始数据的另一个版本，分别放入层当中去，最后构造到天线那里发射出去。
4G 最多为 4 层，按照单码字和双码字，又有如下划分：
实际上，LTE 宏站不管单双码字，都是使用双层。
一般来说，室内分布才会有单天线这种特殊情况。
4. 预编码：层到天线端口的映射
使用预编码矩阵将层 (layer) 映射到天线端口 (antenna port) 的过程，通过改变系数调整层数据传送到各个端口的比例。
基站可以透过 RS 排布判断接收的信号是来自哪一个端口
$y_1 = m_1X_1 + m_3X_2$
$y_2 = m_2X_1 + m_3X_2$
码本：预编码矩阵的组合。
5. 天线端口
可以理解成逻辑通道，并不是实际的天线上的物理端口。
可以分为 1,2,4 端口，目前只使用单端口和双端口，单端口对应用室内分布，双端口应用于室外宏站。
一个逻辑端口可以对应一个物理端口，也可以对应多个物理端口。
四、LTE 的传输模式 TM
室内分布可能是单天线模式 (左图)，也可能是多天线模式 (右图)
TM2、TM3/TM4、TM7/YM8
TM3 和 TM4 的区别
PMI：预编码矩阵指示
TM4：不只一种选择，手机可以建议基站使用某种预编码矩阵来给手机发信息。
（反馈就会有延迟，高速移动时延迟会严重影响接收）
TM7 和 TM8 的区别
TM7：提高接收质量，但是没有提升网速的效果。
总结
可以实现网速翻倍的模式：TM3、TM4、TM8
可以提升接收质量：TM2、TM7
无任何变化：TM1
网速排名 (用户低速)：TM8>TM4>TM3>TM7>TM2>TM1
LTE 中实现真正的双流
TM3、TM4、TM8：基站可以发双流
Rank2：手机能够区分两路信道
Rank2 + TM3/TM4/TM8 = 双流
比如：Rank1 + TM3 = 就是单流
LTE 中 TM 模式的变化
通过 UE 反馈，基站选择一种 TM 模式，发送信息，反馈可以是 CQI/RANK/PMI
CQI 是信道质量指示：表示的是下行信号质量情况，从 SINR 计算而得出。
协议没有规定 SINR 和 CQI 之间的关系，由芯片厂家自行算法决定。