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大家都认可大规模MIMO是多用户MIMO的有用且可扩展的版本，但还未见统一的定义。总结一下，普遍认为Massive MIMO具有如下一些要求： （1） 通过信道上的空间复用服务多个用户； （2） 每个BS有M个天线和K个用户，M»K，由基站来学习信道矩阵； （3） 在上行链路和下行链路上都使用简单的线性信号处理； （4） 依靠信道互易性和上行链路导频来获得信道状态信息，在时分双工中有利传播。 Massive MIMO相关的概念自贝尔实验室的汤姆·马泽塔的开创性论文发表以后，由于其巨大的信道容量与传输数据可靠性的增益，得到了学术界和产业界的极大关注，并被认为是5G实现高频谱效率的关键核心技术之一。 Massive MIMO理论基于大数定律，认为在天线数量M大大多于用户数的情况下，信道会出现硬化效应，容量仅受限于相干干扰（与移动速度、子载波带宽有关），非相干干扰（如噪声、信道估计误差等）将神奇般地消失。 一、多少数量天线算大规模？ 大规模是指天线数量M相比于用户数K而言要足够大。下图给出了基于独立同分布瑞利衰落信道对不同天线数量的用户间信道的正交性。可以看到理想情况下要求天线数量要大于100。实际应用中，该条件很难满足，基于更为复杂的接收组合和发送预编码方案可以获得渐进理想条件的频谱效率，通常要求M/K>10。也有文献基于半个半规则理论，认为天线数量少于用户数的4倍时，小区峰值速率将趋向饱和。
二、单小区频谱效率峰值有多少？ 假设独立同分布瑞利衰落信道，用户同路损且等功率分配，那么小区的总速率（bit/Hz/Cell）的下限如下：
其中，M为天线数（不是阵子数，而是通道数，实际设备采用混合波束赋形技术，虽然只有64个数字化通道，但实际具有192个通道），K为用户数，∈[0,1]是归一化的信道质量估计（1为理想估计），τc为相干符号数∈ [100,10000]（Tc×Bc=相干时间×相干带宽，典型值650），SNR为M=K=1时的信号噪声比。考虑到τc>>K，在SNR好点，可简化如下：
（1）若保持M/K不变，小区频谱效率随用户数线性增长，即最大收益来自空间复用。 （2）但不同于理想信道正交（3DMIMO），Massive MIMO还有一个随M/K对数增长的收益。 （3）为避免PCI导频污染，要求2K<τc。因此在高速移动的场景下不适宜用大带宽子载波，用户数也将下降。 三、多小区联合检测真的能无限提升频谱效率？ 密集组网被认为是未来提升频谱效率的一个重要方向。导频污染在致密网络中将越发严重，由此将影响信道估计的质量。 尽管在上述的小区频谱效率下限公式里信道估计质量Ccsi的提升（即，提升SNRu）能够带来小区频谱效率的对数提升。有文献甚至给出如下红色曲线，即随着天线数量的增加，小区频谱效率将呈现幂指数增长。
这可能吗？这个结论似乎在说，只要天线足够多，同时进行多小区的联合检测（最小均方差检测器），就可以消除导频污染，并且网络容量具备无限（超线性）的增长空间。很显然，这是不太可能的。 服务小区不可能对网络内所有UE的上行链路都进行联合检测，基站没有这样的处理能力（基站需要解析每个UE的各个信道协方差矩阵），也未必能收到邻区服务范围内的UE上行信号。特别的，相邻小区的高路径损耗可能会使这些信道估计极为不可靠，预计潜在的性能提升将是微不足道的。 有文献也对致密组网的容量上限做了初步的分析，普遍认为网络容量开始会随着站间距的减小线性增长，最终都会因为接收器饱和度、信号传播的近场效应等原因达到一个恒定的上限。 四、与3D MIMO相比有什么不同？ 事实上，Massive MIMO的频谱效率增加主要来自多用户的空间复用，即小区总体的频谱效率（容量）是大幅提升了，但对单用户而言，因为干扰增加总是下降的。 需要指出，与3D-MIMO强调多用户空分复用（如，垂直方向上增加了3个波束，由此单小区的容量增加约3倍），Massive MIMO更强调多用户信号的联合处理，尽管信道的容量增加主要来自多用户空分复用，但比多用户空分复用增益要更大一点。 对比项目 | | | | | | | | | | | | | 主要基于预定义的方向性波束码本，基站和终端都要执行 | | | | | | | | | | | | | 小区边缘SNR与天线数量成比例增加，不会增加小区间干扰 | | | |
五、附录 1、相干时间Tc 相干时间用于衡量频率色散（或时间选择性衰落），与多普勒频移有关，即，终端移动速度越快、频段越高，相干时间越小，通信系统越难设计，Tc决定了无线子帧的最大长度。这也决定了Massive MIMO不适用于中高速移动的场景。
2、相干带宽Bc 相干带宽用于衡量时延色散（或频率选择性衰落），与多径传播有关，Bc决定了子载波的最大带宽，多径效应越明显，子载波带宽应越小。Bc=1/Td，Td是一个随机变量，且量化计算比较困难，中值表达式如下：
其中，T1为1km处实测时延中值，∈为，d为距离（单位为km），y为服从对数正态分布的随机变量10log(y)～N(0,σy)。 要获得Td的中值需要先验的T1、∈和σy，这三个值与无线环境有关，可以预先测定，具体可以参考相关文献。对于LTE或NR网络来说，时延不可以大于循环前缀CP的长度，否则会带来ISI干扰。对于NR网络，不同载波配置下的CP时长如表。 3、相干块（或相干符号数） 相干符号数τc=Tc×Bc，是NR网络设计中的一个重要参数，它决定了一个子载波一子帧内最大传输的符号数，对于典型u=1的网络τc=296个符号。它决定了一个采用MassiveMIMO技术的网络频谱效率上限，及为保证信道具有硬化特性，需要的最少天线数量和最大可接入的用户数。可以看到τc越大，最大可容纳的用户数越多，所需的天线数量也越多。对于u=1的网络，用户数超过48个后，频谱效率开始下降，天线数量为192较为合适。 注：有些学术文献里，将相干块理解为采样率（需满足奈奎斯特采样定律的要求），即Tc=1ms，Bc=360KHz，故相干块为360个采样点。
4、天线内部实现
Ns为数据流数（或层数），Nrf/bs为RF链路数（对应天线通道数），Nbs为天线数，Nms为手机天线数。图中一个RF链路对应到6个阵子。
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发表于 2021-12-9 10:09:45
