如何理解和掌握X-MIMO天线概念和应用特点

通信大视野2021-11-22 09:31:40

  1. 引言

在讨论5G大规模MIMO天线技术时引申出来了集中式MIMO天线(Centralized MIMO,C-MIMO)、分布式MIMO天线(Distribute MIMO,D-MIMO)、3维MIMO天线(3Dimission MIMO ,3D-MIMO)、智能MIMO天线(Smart MIMO,S-MIMO)、虚拟MIMO天线(Virtual MIMO,V-MIMO)、大规模MIMO天线(Large Scale MIMO,L-MIMO)、超大规模MIMO天线(Massive MIMO,M-MIMO)、单用户MIMO(Single User MIMO,SU-MIMO)、多用户MIMO(Multiple User MIMO,MU-MIMO)以及一维天线阵列(1Dimission Antenna Array 1D-AA)和二维天线阵列(2Dimission Antenna Array 2D-AA)等许多概念,让很多人感到困惑且模糊不清,如何理解和区分这些天线概念呢?下面首先就这几种MIMO天线的概念、特点、各自的应用场景以及它们之间的关系做些简单介绍,最后给出相关的分析和结论,帮助读者更好地理解和掌握5G时代各种MIMO天线技术。


  1. 一维天线(1D-AA)与二维天线(2D-AA)概念

图1给出了一维天线与二维天线结构原理示意图,图1A表示阵列天线只在水平维上划分通道,称为一维天线(1D-AA),如果把天线辐射空间定义为XYZ三个维度,那么1D-AA只能在XY平面即水平平面内赋形,也就是常说的2D-MIMO,此时天线可以通过波束赋形区分与基站具有不同方位角的用户(如图2A中UE1和UE4),但用户如果与基站具有相同或相近的方位角,则1D-AA无法区分它们(如图2A中UE2和UE3)。图1B表示阵列天线在水平维和垂直维同时上划分通道,称为二维天线(2D-AA),2D-AA在不增加天线尺寸和重量的情况下,对垂直维的天线阵子加以充分利用,那么2D-AA就能在XYZ三个平面内赋形,也就是常说的3D-MIMO,此时天线就能通过3D波束赋形区分覆盖空间内(不限于某个平面)的任意用户(如图2B中UE1、UE2、UE3和UE4都可以区分,其中UE2和UE3是通过垂直赋形区分。

图1:一维天线(1D-AA)与二维天线(2D-AA)结构原理示意图

图2:一维天线与二维天线波束赋形示意图


  1. 集中式MIMO天线(C-MIMO) 

大规模天线系统的基本特征是:在基站覆盖区域内配置数十根甚至数百根以上天线,较4G系统中的4(或8)根天线数增加一个量级以上。这些天线可分散在小区内(分布式MIMO,D-MIMO),或以大规模天线阵列方式集中放置(集中式MIMO,C-MIMO)。C-MIMO和D-MIMO的出发点是一致的,即通过显著增加基站侧天线的个数,以深度挖掘无线空间维度资源,显著提升频谱效率和功率效率,因而它们所涉及的通信问题也基本相同,节点个数、节点配备的天线数目以及空分用户数的大规模增加,使得从传统MIMO及协作MIMO到大规模天线系统的演变,是一个从量变到质变的过程。

图3给出了集中式Massive MIMO天线结构和赋形复用工作原理示意图,图4给出了集中式Massive MIMO天线主要应用场景,可以从室外宏微覆盖、高层覆盖、室内覆盖这三种主要场景划分。

中心基站使用大规模天线集中部署主要应用场景有城区覆盖、无线回传、郊区覆盖、局部热点。其中城区覆盖分为宏覆盖和微覆盖(例如高层写字楼)两种,微小区为大部分用户提供服务,而大规模天线基站为微小区范围外的用户提供服务,同时对微小区进行控制和调度。无线回传主要解决基站之间的数据传输问题,特别是宏站与Small Cell之间的数据传输问题,郊区覆盖主要解决偏远地区的无线传输问题,局部热点主要针对大型赛事、演唱会、商场、露天集会、交通枢纽等用户密度高的区域。

图3:集中式Massive MIMO天线结构和赋形复用原理示意图

图4:集中式Massive MIMO天线主要应用场景


  1. 分布式MIMO天线(D-MIMO)

考虑到未Massive MIMO线尺寸、安装、维护和成本等实际问题,模块化分布式大规模天线越来越受到业界的关注。分布式天线具有减轻天线重量、降低天线安装维护难度,实现天线按场景组合,降低天线检测难度等优势。其原理和思路是将分布存在空口的无线通道,通过基带进行协同,在物理层实现多通道的能力整合,将原来基站间的干扰变为基站内的有用信号。因此,D-MIMO既可以有效提升网络抗干扰能力,又可以进一步借助多通道能力获取用户体验及网络容量增益。但实际应用时需要重点考虑天线之间的协作机制及信令传输问题。图5给出了分布式 MIMO天线结构和工作原理示意图。


图5: 模块化分布式大规模天线原理

分布式天线系统是挖掘空间维度资源的一种途径。在分布式天线系统中,处于同地理位置的配备多天线的节点,通过高速回程链路连接到基带处理单元,进而在同一时频资源上协作完成与单个或多个移动通信终端的通信。分布式天线系统中,多个节点与用户之间形成分布式MIMO信道,通过节点间的协作,形成协作MIMO,协作MIMO不仅可以获得MIMO的3种增益,并且可以额外获得宏分集以及由于路径损耗降低而带来的功率增益,也就是说当模块化分布式大规模天线与虚拟扇区化传输技术相结合,相比于集中式大规模天线能进一步获得性能增益

如果考虑大规模天线的不同天线形态,拥有几十甚至数百个天线阵子的分布式大规模天线有其它天线结构无法比拟的优势,例如:1)更易于部署:相比于传统大规模天线,分布式的天线结构能够更灵活的设计天线形态,从而有效解决大规模天线在部署时对站址要求较高的难题;2)更高的频谱效率:相比于集中式大规模天线,分布式大规模天线当基站采用的天线总数为M,在基站已知完全信道状态信息条件下获得相同接收信噪比只需要1/M的发送功率,而已知部分信道状态信息的条件下只需要1/√M的发送功率;3)覆盖更大:拥有的多个天线阵子在一定部署形态下可以获得更大的覆盖范围,从而使用户位于小区边缘的概率减小,同时降低了同频干扰和切换概率。模块化分布式大规模天线解决方案,其新型天线形态能够有效化解传统大规模天线由于天线尺寸带来的部署难题。

图6: 模块化分布式大规模天线部署场景

  1. 3维MIMO天线(3D-MIMO)

在现有的蜂窝系统当中,基站发射端波束仅能在水平维进行调整,而垂直维对每个用户都是固定的下倾角。因此各种波束赋形/预编码技术等均是基于水平维信道信息的。事实上,由于信道是3D的,固定下倾角的方法往往不能使系统的吞吐量达到最优。随着小区用户数的增多,用户分布在小区内的不同区域,包括小区中心和小区边缘,使用传统的2D波束赋形只能根据水平维的信道信息进行水平方向上的区分,而不能在垂直维对用户进行区分,对系统性能造成了严重的干扰。

3D MIMO是在传统2D MIMO的基础上,在垂直维上增加了一维可供利用的维度。对这一维度的信道信息加以有效利用,可以有效地抑制小区间同频用户的干扰,从而提升边缘用户乃至整个小区的平均吞吐量。通过对3D MIMO的不同利用形式来加以区分,可以分为小区分裂、3D动态波束赋形、基于3D MIMO的CoMP等。当前的3D-MIMO是把5G技术应用到4G网络的典型案例和成功实践,相比现有4G技术,采用3D-MIMO技术的小区下行和上行平均吞吐量分别是现有4G基站的3-5倍和2倍,既有效解决了4G存在的“三高一限”严重制约用户体验的现实问题,也将为移动互联网应用的规模发展提供有力的技术支撑,可极大满足5G时代用户密集区域的流量业务需求。随着大规模天线技术的不断发展,MIMO技术的3D化应用将是必然的发展方向。图7给出了3D-MIMO立体覆盖示意图。

图7:3D-MIMO立体覆盖示意图

图8:2D-MIMO与3D-MIMO特性对比

图8简单分析了2D-MIMO与3D-MIMO特性差异,传统的2D-MIMO天线端口数较少导致波束较宽,并且只能在水平维度调整波束方向,无法将垂直维的能量集中于终端。也由于2D-MIMO仅能在水平维度区分用户也导致其同时、同频可服务的用户数受限。3D-MIMO一般采用大规模的二维天线阵列,不仅天线端口数较多,而且可以在水平和垂直维度灵活调整波束方向,形成更窄、更精确的指向性波束,从而极大的提升终端接收信号能量并增强小区覆盖。且3D-MIMO可充分利用垂直和水平维的天线自由度,同时、同频服务更多的用户,极大地提升系统容量,还可通过多个小区垂直维波束方向的协调,达到降低小区间干扰的目的。3D-MIMO通过引入新天线和新技术,在满足灵活组网需求的同时,有效提升系统容量。具体表现在下面三点:

(1)当前城区建筑多以高层建筑为主,这就导致传统基站无法实现对高层建筑高处楼层的全面覆盖,因此需要利用3D-MIMO技术,通过该技术来分割出指向不同高度位置的波瓣来实现场景的全面覆盖,而且依托于多个并行数据流进行传输,有效的提高了频率利用效率。利用3D-MIMO技术后,所占用的天面数量较少,而且垂直面覆盖加宽,利用天线阵来实现对整个楼层的覆盖,而且在对高层建筑进行覆盖的同时,还能够实现虚拟分区,不仅达到了空分复用的效果,而且对频谱效率的提升起到了积极的作用,如图9所示。

图9: 3D-MIMO覆盖高层楼宇场景

(2)3D-MIMO技术可以降低对邻区的干扰。3D-MIMO天线相比于常规天线的垂直面不能随终端位置的变化而实时调整,3D-MIMO天线可通过AAS(有源天线阵子)组合而成,每个阵子都可以独立调整权值,波束在垂直面实时跟踪终端,从而可从整体上降低对邻区的干扰,如图10所示。

10: 3D-MIMO天线在垂直面跟踪终端

(3)3D-MIMO技术可实现垂直面空分复用,提升频谱效率。由于采用的常规天线无法在垂直面上实现针对终端的多波束,但利用3D-MIMO多天线技术时,在实现针对不同终端的垂直面多波束的同时,还能够提供垂直面波束赋形,而且从垂直维度上再进行一次区分,形成对准他们的波束进行信号传输,提升频谱效率。水平面维度与基站的夹角不同,所以基站可以在水平面维度上形成3个分别对准它们的波束进行服务,如图11所示。

图11: 3D-MIMO天线在垂直面空分复用

总之,3D-MIMO技术通过对空间特性的充分利用,显著提高了数据传输的峰值速率,大大增加了无线网络扩展覆盖范围,有效抑制了小区间干扰,提升了系统容量以及系统吞吐量,已经成为5G系统中的核心技术。

3D-MIMO的典型应用场景如图12所示,主要包括室外的宏/微覆盖、高楼覆盖和室内覆盖。

(1)宏覆盖场景下基站覆盖面积较大,用户数量较多,在新建站址越来越难和移动数据业务增长越来越快的现状下,亟需通过3D-MIMO大幅提升系统容量。微覆盖主要针对室外业务热点区域进行覆盖,比如露天集会、商圈等用户密度大的区域,微覆盖场景下虽然基站覆盖面积较小,但是用户密度通常很高,同样需要3D-MIMO来提升系统容量。

(2)高楼覆盖场景主要指通过位置较低的基站为附近的高层楼宇提供覆盖。在这种场景下,用户大量分布于不同楼层,这就需要基站具备垂直大角度范围的覆盖能力。而传统的基站垂直覆盖范围通常很窄,可能需要部署多幅天线才能满足需求,3D-MIMO能够通过三维波束很好地实现整栋楼宇的覆盖。

(3)室内覆盖则主要针对室内业务热点区域进行覆盖,如大型赛事、演唱会、商场和体育馆等。在这种场景下,基站通常部署在天花板或者顶部的各个角落里,用户相对基站的角度分布范围很大,传统的全向天线虽然覆盖不成问题,但是无法将能量集中。而3D-MIMO既能覆盖所有用户,又能利用三维波束成形有效提升信号质量。

图12: 3D-MIMO典型应用场景


  1. 虚拟MIMO天线(V-MIMO)

      MIMO 技术可以有效地提高频谱资源的利用率,已成为4G和5G系统中的核心技术,但到目前为止多是讨论基站侧MIMO的优势,然而移动设备上很难配置多根天线,因而极大限制了MIMO天线应用范围和整体效果。为了解决终端侧天线数目受限问题,研究人员对 MIMO技术进行了扩展,提出了虚拟 MIMO 的概念。图13给出了V-MIMO简单示意图。 

图13: V-MIMO示意图

            从上图可以看出上行虚拟MIMO的简单工作原理,即每一个终端均发送一个数据流,但是两个或者更多的数据流占用相同的时频资源,这样从基站接收机来看,这些来自不同终端的数据流,可以被看作来自同一个终端上不同天线的数据流,从而构成一个虚拟MIMO系统,虽然每个终端都只有一根天线,但通过 V-MIMO处理技术,每个终端等效于都有两根天线,从而提高上行容量和链路质量,即如果两个终端发送不同的数据流,可以提升系统上行容量(等效于MIMO复用),如果两个终端发送相同的数据流,可以提高上行链路质量(等效于MIMO分集)。

虽然虚拟 MIMO 技术是在MIMO 技术的基础上扩展,但是它们两者之间也存在许多的不同点。在MIMO 技术中,发送天线和接收天线都属于同一终端,而在虚拟 MIMO 技术中,各个天线单元之间是相互独立的且它们隶属于不同的终端,空间相邻的若干个无线终端通过聚簇分别 形成发送天线阵列、接力天线阵列、接收天线阵列。当进行信息传输时,发送天线阵列会根据实际需要,选择若干个接力天线阵列参与信息的协作接力传输,而参与接力的天线阵列根据实际需要选择下一级的 天线阵列参与信息的接力,数据被一步一步接力传输下去,直到目的 天线阵列接收到为止。根据实现过程可以把虚拟 MIMO分为以下两种:

(1)有协作通信方式的虚拟 MIMO 技术:指用户之间相互共享各自的数据,相互协作传输数据,提高通信质量。

(2)无协作通信方式的虚拟 MIMO 技术:指用户之间不能相互共享各自的数据,各自独立地向基站发送数据。

由于V-MIMO原理复杂,在此不便展开,更详细的工作过程请参看相关专业论著。

虚拟 MIMO 的优势在于,突破了传统 MIMO 技术“天线集中、处理集中”的模式。虚拟 MIMO 技术利用若干个单天线终端组成的虚拟天线阵列,相邻的虚拟天线阵列 之间相互接力传输信息,这就避免了在 MIMO 技术中需要在发送端和接收端配置足够多的天线,且这些天线单元间距要足够大所带来的一系列问题,能够很好地利用分集增益和复用增益来提高系统的容量,改善系统的性能。但是虚拟 MIMO 技术在真正能够应用到实际系统中去,还有许多问题亟待解决。


  1. 单用户MIMO与多用户MIMO天线

图14A和B分别给出了SU-MIMO和MU-MIMO,在单用户MIMO系统中,基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给同一个用户 ,极大的提升了用户峰值速率,相当于MIMO的空分复用(SDM)。在多用户MIMO系统中,基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同用户 ,在提高小区容量的同时增加了接入用户数,相当于MIMO的空分多址(SDMA)。由于SU-MIMO和MU-MIMO在4G时代已经广泛应用,在此不再累述。

 图14:A:SU-MIMO示意图   B:MU-MIMO示意图


  1. 分析与结论

从以上分析C-MIMO、D-MIMO、3D-MIMO和V-MIMO等基本概念、工作原理、实现方式、应用场景和各自特点可以看出,虽然Massive MIMO天线引申出多种不同的叫法,但它们本质是相同的,各种MIMO间既有区别,更有联系。C-MIMO和D-MIMO是从天线实现和工程部署角度来区分的,C-MIMO天线实现简单、控制过程不复杂、具有覆盖多种场景的能力和回传的功能,但天线较大较重,安装维护不便,单点故障影响较大。D-MIMO可以以小聚多实现Massive MIMO天线阵列,工程部署简单,单点故障影响范围小,但需要多站点协同通信(CoMP),控制比较复杂(C-RAN),对承载网要求较高。随着天线技术、传输技术、C-RAN 技术和网络智能化发展,D-MIMO将会越来越显示它的优势,一定会在未来5G网络中得到更多的应用。C-MIMO更多的应用在少数中心站和覆盖较远的站点。无论是C-MIMO还是D-MIMO,都具有垂直赋形的能力,也就是说C-MIMO和D-MIMO都是3D化的。3D-MIMO天线的概念在现阶段主要是区别传统的2D-MIMO,应该说是一种过渡名称,到5G时代不会再特意强调3D-MIMO这个概念,因为Massive MIMO天线必须也必然是3D的,因此3D-MIMO概念会逐步淡化。V-MIMO是从终端实现多天线应用效果角度出发提出的一种上行MIMO解决方案,虽然能有效提升上行容量和链路质量,但目前技术还不太成熟。智能MIMO天线(S-MIMO)是个逻辑概念,不具有物理含义,泛指Massive MIMO的智能控制、智能处理、智能感知和智能算法等,今后的Massive MIMO也必将是智能型的。大规模MIMO(Large Scale MIMO)和超大规模MIMO(Massive MIMO)两个概念没有严格的定义,业界默认的看法是4G时代的2、4、8通道天线为2D-MIMO,4G+时代的16、32、64通道的天线为大规模天线或3D-MIMO天线,5G时代的128、192、256、512通道的天线为超大规模天线。SU-MIMO和MU-MIMO是指多个数据流发送给同一个用户还是不同的用户,都能提高系统容量,SU-MIMO可以提高单用户峰值速率,MU-MIMO可以增加用户数。一维天线1D-AA和二维天线2D-AA区别主要是仅水平维赋形还是水平和垂直维同时赋形,1D-AA只能实现2D-MIMO,2D-AA可以实现2D-MIMO和3D-MIMO,今后2D-AA是主流方向。