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解析MassiveMIMO大规模天线原理

——实现2.61Gbps峰值速率

在巴塞罗那举办的世界移动大会上，中兴通讯Pre5GFDDMassiveMIMO业务演示，采用8

部终端同时接入，实现单小区2.6Gbps峰值速率，频谱效率提升达到8倍。惊闻倍感吃惊，

有点措手不及，赶紧翻开资料补补课，于是一个不可救药的技术宅就写了一篇长文。

什么是MassiveMIMO？

MassiveMIMO就是在基站侧配置远多于现有的系统的大规模天线阵列的MU-MIMO，来同时服

务多个用户，也称为LargeScaleMIMO。

为什么我们需要MassiveMIMO？

先来复习一遍最基础的无线通信知识。假设基站与手机的距离为R，基站天线的发射功率为

Ptx，那么，手机天线接收到的信号功率Prx是多少呢？

在自由空间中，信号强度与距离的平方成反比衰减，最简单的公式是这样的...

这个公式告诉我们，基站与手机的距离增大到2倍，手机接收信号强度将衰减4倍。

不过，实际上手机接收到的信号强度还受频率（波长λ）、发射天线增益（Gtx）和接收天

线增益（Grx）的影响。譬如频率，从2G到4G，以至5G，移动通信使用的频段越来越高（波

长越短），信号覆盖距离也越短。

因此，一个更完整的公式是这样的...

根据这个公式，想一想，如何才能提高手机接收信号强度呢？

答案是：

①增加发射功率Ptx

②缩短手机与基站间的距离R

③增加波长（使用低频段）

④增大接收天线增益

⑤增大发射天线增益

你会选择哪些选项呢？对于①②③，由于受客观条件限制，只能是理论上的美好想象。我们

不能无限增大功率，缩短基站与手机的距离意味着建站花钱，低频段资源是有限的。

只剩下增大天线增益了！

也许我们可以对单天线进行改良设计，不过企图用这种方法来补偿因高频段和距离导致的信

号衰减犹如杯水车薪。

唯一的办法是增加天线数量！

想象一下，一大堆天线同时发力，多束信号叠加，不但提升增益，还可降低单天线发射功率，

进而平衡能耗和成本，而且在对抗信号衰减上更具稳健性，还可降低时延。而对于衰减更厉

害的5G高频段，MassiveMIMO更是不可或缺。

讲真，我们辛辛苦苦在物理层上研究费老大的劲也没能提升几个dB增益，还不如直接增加

天线，效果立竿见影。MassiveMIMO，大有可为！

说完大规模天线，就得讲讲MU-MIMO了。

MU-MIMO

香农定理点对点的信道容量受限于基站发射功率和信噪比。

看看上面的公式，对于点对点单用户，你要想把频谱效率从4bit/s/Hz提升到8bit/s/Hz，

你得增大17倍功率。

我们一直受限于香农定理，直到MIMO出现。它跳出了点对点单用户的框框，将单一点对点

信道变换成多个并行信道来处理，以至于频谱效率主要取决于并行信道数量，从而提升了系

统容量和频谱效率。MIMO是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，采用

空间分集的方法使不同的信号在相同的频率下同时传送。

MIMO技术经历了从SU-MIMO（单用户MIMO）向MU-MIMO（多用户MIMO）的发展过程。

如上图所示，（a）和（b）均属于SU-MIMO，它的特点是只服务单一终端，终端受限于天下

数量和设计复杂性，从而限制了进一步发展。

而MU-MIMO将多个终端联合起来空间复用，多个终端的天线同时使用，这样以来，大量的基

站天线和终端天线形成一个大规模的虚拟的MIMO信道系统。这是从整个网络的角度更宏观

的去思考提升系统容量。

不过，这么多天线引入，信号交叉，必然会导致干扰，这就需要预处理和波束赋形（Beamf

orming）技术了。

预处理和波束赋形

波束赋形是指，大规模多天线系统可以控制每一个天线单元的发射（或接收）信号的相位和

信号幅度，产生具有指向性的波束，消除来自四面八方的干扰，增强波束方向的信号。它可

补偿无线传播损耗。

至于3DBeamforming，是指在三维空间（水平和垂直空间）形成传输信号的分离波束。

至于预处理，由于在MassiveMIMO下，系统处于“中心基站－分散终端”的工作模式，信

号传输发生在基站和各个用户之间，各个用户之间无法通信，单个用户对其它用户的信道情

况和发送信息一无所知，所以，基站需要收集所有用户的CSI（ChannelStatesInformati