在巴塞羅那舉辦的世界移動大會上，中興通訊Pre5G FDD Massive MIMO業(yè)務演示，采用8部終端同時接入，實現(xiàn)單小區(qū)2.6Gbps峰值速率，頻譜效率提升達到8倍。驚聞倍感吃驚，有點措手不及，趕緊翻開資料補補課，于是一個不可救藥的技術(shù)宅就寫了一篇長文。

什么是Massive MIMO？

Massive MIMO就是在基站側(cè)配置遠多于現(xiàn)有的系統(tǒng)的大規(guī)模天線陣列的MU-MIMO，來同時服務多個用戶，也稱為Large Scale MIMO。

為什么我們需要Massive MIMO？

先來復習一遍最基礎(chǔ)的無線通信知識。假設(shè)基站與手機的距離為R，基站天線的發(fā)射功率為Ptx，那么，手機天線接收到的信號功率Prx是多少呢？

在自由空間中，信號強度與距離的平方成反比衰減，最簡單的公式是這樣的。..

這個公式告訴我們，基站與手機的距離增大到2倍，手機接收信號強度將衰減4倍。

不過，實際上手機接收到的信號強度還受頻率（波長λ）、發(fā)射天線增益（Gtx）和接收天線增益（Grx）的影響。譬如頻率，從2G到4G，以至5G，移動通信使用的頻段越來越高（波長越短），信號覆蓋距離也越短。

因此，一個更完整的公式是這樣的。..

根據(jù)這個公式，想一想，如何才能提高手機接收信號強度呢？

答案是：

①增加發(fā)射功率Ptx

②縮短手機與基站間的距離R

③增加波長（使用低頻段）

④增大接收天線增益

⑤增大發(fā)射天線增益

你會選擇哪些選項呢？對于①②③，由于受客觀條件限制，只能是理論上的美好想象。我們不能無限增大功率，縮短基站與手機的距離意味著建站花錢，低頻段資源是有限的。

只剩下增大天線增益了！

也許我們可以對單天線進行改良設(shè)計，不過企圖用這種方法來補償因高頻段和距離導致的信號衰減猶如杯水車薪。

唯一的辦法是增加天線數(shù)量！

想象一下，一大堆天線同時發(fā)力，多束信號疊加，不但提升增益，還可降低單天線發(fā)射功率，進而平衡能耗和成本，而且在對抗信號衰減上更具穩(wěn)健性，還可降低時延。而對于衰減更厲害的5G高頻段，Massive MIMO更是不可或缺。

講真，我們辛辛苦苦在物理層上研究費老大的勁也沒能提升幾個dB增益，還不如直接增加天線，效果立竿見影。Massive MIMO，大有可為！

說完大規(guī)模天線，就得講講MU-MIMO了。

MU-MIMO

香農(nóng)定理點對點的信道容量受限于基站發(fā)射功率和信噪比。

看看上面的公式，對于點對點單用戶，你要想把頻譜效率從4bit/s/Hz 提升到8bit/s/Hz，你得增大17倍功率。

我們一直受限于香農(nóng)定理，直到MIMO出現(xiàn)。它跳出了點對點單用戶的框框，將單一點對點信道變換成多個并行信道來處理，以至于頻譜效率主要取決于并行信道數(shù)量，從而提升了系統(tǒng)容量和頻譜效率。MIMO是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，采用空間分集的方法使不同的信號在相同的頻率下同時傳送。

MIMO技術(shù)經(jīng)歷了從SU-MIMO（單用戶MIMO）向MU-MIMO（多用戶MIMO）的發(fā)展過程。

如上圖所示，（a）和（b）均屬于SU-MIMO，它的特點是只服務單一終端，終端受限于天下數(shù)量和設(shè)計復雜性，從而限制了進一步發(fā)展。

而MU-MIMO將多個終端聯(lián)合起來空間復用，多個終端的天線同時使用，這樣以來，大量的基站天線和終端天線形成一個大規(guī)模的虛擬的MIMO信道系統(tǒng)。這是從整個網(wǎng)絡(luò)的角度更宏觀的去思考提升系統(tǒng)容量。

不過，這么多天線引入，信號交叉，必然會導致干擾，這就需要預處理和波束賦形（Beamforming）技術(shù)了。

預處理和波束賦形

波束賦形是指，大規(guī)模多天線系統(tǒng)可以控制每一個天線單元的發(fā)射（或接收）信號的相位和信號幅度，產(chǎn)生具有指向性的波束，消除來自四面八方的干擾，增強波束方向的信號。它可補償無線傳播損耗。

至于3D Beamforming，是指在三維空間（水平和垂直空間）形成傳輸信號的分離波束。

至于預處理，由于在Massive MIMO下，系統(tǒng)處于“中心基站－分散終端”的工作模式，信號傳輸發(fā)生在基站和各個用戶之間，各個用戶之間無法通信，單個用戶對其它用戶的信道情況和發(fā)送信息一無所知，所以，基站需要收集所有用戶的CSI（Channel States Information，信道狀態(tài)信息）來進行預編碼和調(diào)度，將用戶信號進行有效分離，從而對抗用戶間的干擾。

需要說明的是，Massive MIMO的波束賦形和我們通常理解的波束賦形是不一樣的。它并不是波束直線指向用戶終端，而是可以從多個不同方向指向終端。信號預處理算法可以為波束安排最佳路由，它也可以在精確協(xié)調(diào)下將數(shù)據(jù)流經(jīng)由障礙物反射路徑發(fā)送到指定用戶。

這里有一個經(jīng)典的演示。

假設(shè)在一個周圍建筑物密集的廣場邊上有一個全向基站（紅色圓點），周圍不同方向上分布3臺終端（紅、綠、藍X）。

未采用Massive MIMO場景下，當紅色終端和基站通信時，無線傳播路徑是這樣的。..

采用Massive MIMO場景下，并引入精準的波束賦形后，情況就神奇的變成這樣了。..

Massive MIMO可改善能效，提升頻譜效率，也就不難理解了吧！

不過，問題來了！

基站要精確的掌握信道信息和終端位置，要像武林高手一樣彈指間點中對手死穴，可不是一件容易的事。

在Massive MIMO下，基站向終端發(fā)送導頻（pilots），并將CSI反饋（feedback）給基站，我們會遇到兩個棘手的問題：

（1）天線之間的下行導頻需相互正交，這意味著天線越多，下行導頻占用的時頻資源就越多。

（2）終端向基站反饋也要消耗上行時頻資源，且隨著天線數(shù)量成正比例上升，可能是傳統(tǒng)系統(tǒng)的上百倍。

由于TDD系統(tǒng)上下行使用同一頻段，可以單邊的基于上行信道狀況估計下行信道，即利用上下行信道的互易性來推斷基站到終端的下行鏈路。

而對于FDD系統(tǒng)，多了大量CSI反饋，隨著天線數(shù)量增加，不但開銷增大，且反饋信息的準確性和及時性也存在降低的可能。

因此，業(yè)界一直以為，Massive MIMO在FDD上更難于部署。

也正因如此，今天從巴塞羅那傳回的消息令人欣喜。中興是如何實現(xiàn)的呢？我想無非就是像一位武林高手要練成一門絕世武功一樣，閉關(guān)苦練必不可少吧，現(xiàn)實生活中絕對沒有金庸小說里那么多偶然。

中興是如何實現(xiàn)的？

2015年，中興基于TDD的Pre5G Massive MIMO完成產(chǎn)品開發(fā)和外場測試，多家運營商開始商用測試和部署。

TDD Massive MIMO 1.0

2016年2月，在巴塞羅那舉行的MWC 2016世界移動通信大會上，該產(chǎn)品榮獲 “最佳移動技術(shù)突破”（Best Mobile Technology Breakthrough）以及“CTO之選”（Outstanding overall Mobile Technology-The CTO’s Choice 2016）雙料大獎，這可是被業(yè)界認可的最高榮譽。

TDD Massive MIMO 2.0

隨后，在中國、日本、印尼等人口大國的運營商進行了規(guī)模商用部署，我們在街頭發(fā)現(xiàn)了中興的這個基于TDD的Pre5G Massive MIMO基站。

正是依托于TDD Massive MIMO技術(shù)規(guī)模商用積累的大量傳播特性數(shù)據(jù)，中興研發(fā)團隊創(chuàng)造性地提出FDD制式的Massive MIMO信道測量與估計專利算法，實現(xiàn)了FDD宏觀對稱性，在無須手機更多配合的情況下大幅提升了頻譜效率。

同時，中興通訊自研的矢量處理芯片MCS2.0提供了強大的信號運算與處理能力，為FDD Massive MIMO復雜的算法實現(xiàn)提供了可能。

閉關(guān)修煉，終成正果。2016年12月30日，中興通訊發(fā)布了全球首個基于FDD LTE制式的Massive MIMO解決方案，并與中國聯(lián)通合作完成外場預商用驗證。

FDD Massive MIMO 2.0

今天，短短2個月后，我們又看到了中興在FDD Massive MIMO上的技術(shù)突破。無疑，作為中興Pre5G的標簽技術(shù)，Massive MIMO引入FDD制式后，為全球最為廣泛部署的FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)解決了頻譜效率亟待提升的難題，將進一步拓展了Pre5G的商用空間。據(jù)稱，中興通訊Pre5G已經(jīng)在全球30個國家，超過40個網(wǎng)絡(luò)中進行了部署。又一個新時代開啟，移動通信的發(fā)展速度實在令人驚嘆！