Massive MIMO是5G普及的关键

　　2018年是5G部署关键性的一年，今年6月份3GPP组织正式发布第一版5G标准(R15行动通信技术标准)，预示着5G商用化已经提上日程，并且正在加快速度向人们走来。当前中国工信部已经确立了5G中频频段为3.3-3.6GHz、4.8-5GHz，但国际主流频段为28GHz，同时由于中低频段资源有限，因此大部分5G网络未来将部署在高频频段，及毫米波频段，而5G的一项关键性技术——大规模天线技术(Massive MIMO)的出现，或许可以解决5G当前所面临的问题，例如高企的建设成本。

　　近年来，随着5G标准的逐步确定，5G的部署已有序展开。5G相关频谱的分配即将尘埃落定，5G的商用化已经进入倒计时。相比于4G，5G的一大特点便是频率更高，速度更快，能承载的信息量也更多，于此相对应的是波长更短，信号传输衰减加剧，穿透性减弱等问题。

　　当前我国5G频段主要在6GHz以下进行开放，这也是为了让中国4G设备得到充分的利用，继而顺利过渡到5G，但未来高频率5G才会体现其技术真正实力。而高频5G会产生毫米波，虽然毫米波能带来诸多便利，但正如3GPP关于5G的标准解释中写到，随着移动通信使用的无线电波频率的提高，路径损耗也随之加大。

　　那么要如何来解决这个问题呢?由于国家对天线功率有上限限制，因此无法随意增加天线发射功率;同时也无法改变发射天线与接收天线的距离，因为用户随时都可能改变位置;当然也无法无限的提高发射天线与接收天线的增益，因为这受限于天线材料的物理规律。因此唯一可行的解决办法就是增加发射天线和接收天线的数量，设计多天线阵列。

　　假设使用天线尺寸相对无线波长为固定的(通常为1/4波长至1/10波长)，那么载波频率提高将意味着天线越来越小，这意味着在同样的空间中可以塞入更多的高频段天线。基于此，可以通过增加天线数量来弥补路径损耗，同时也不会增加天线阵列的尺寸，Massive MIMO技术也就此诞生。

　　“Massive MIMO和毫米波是5G两个关键的技术，Massive MIMO通过大规模的提高基站端和用户端的天线数量来提高系统整体的吞吐效率;毫米波通信则选择毫米波频段，比如28G，38GHz，60GHz等频段进行通信。”美国国家仪器射频和软件定义无线电技术市场工程师屠方泽在接受《华强电子》记者采访时表示，“通过毫米波高频的通信有两个明显优势，首先毫米波频段内可利用的频率资源较多，系统带宽通常超高800MHz，从而可以显著提高吞吐量，其次天线长度通常和波长相关，毫米波频段的天线较短，从而在更小的尺寸内可以实现Massive MIMO系统。”

　　就职于某国际光学半导体公司的一高管向记者透露：“基于5G的发展和需求，Massive MIMO无线解决方案一直被认为是5G的关键技术之一，是唯一可以十倍或以上提升系统容量的无线技术。针对Massive MIMO无线解决方案，从之前的原型机到今后的实验网乃至大规模商用部署，低成本、高集成、高效率成为Massive MIMO无线解决方案的几个重要趋势。"

　　不止对高频段5G有很好的效果，对于目前6GHz以下，Massive MIMO也作用明显。是德科技(中国)有限公司华南区总经理Franklin So表示：“根据运营商的测试结果，6GHz 以下的Massive MIMO基站应对增强覆盖、提升容量方面有显著的作用。装备毫米波技术的基站普遍采用通过Massive MIMO 天线的波束赋形技术，以克服电磁波传播路损的损耗，实现天线和基站小型化和商用化。Massive MIMO 技术是5G的标志性技术，Massive MIMO技术会随着运营商部署场景的逐渐明确，加速发展。”

　　对于Franklin So的看法屠方泽也表示认同：“在6GHz以下，NI提供MIMO应用框架参考设计系统，基站端天线数量灵活可配置，可以实现4～128天线系统，并且可实现单天线和多天线模拟用户。”同时针对5G频段范围广的问题，屠方泽表示可以通过灵活性的系统来进行适应，并覆盖毫米波频段：“首先，通过使用同样的基带和中频模块，更改前端的射频头模块，可以灵活覆盖不同的毫米波频段;其次，目前5G NR的协议还在定义中，我们提供软件定义无线电开放的平台，在40GHz以上基本的参考设计是使用单载波的系统，40GHz以上使用CP-OFDM的系统，同一个硬件平台可以使用LabVIEW软件快速更改相关代码实现不同协议以及协议算法的更改。”

　　显然，Massive MIMO对于5G的普及起到了关键的作用，但同时，由于频段相比4G更高，要想做到4G同样的覆盖程度，其建设的基站数量必然会更多。这也会引发一个问题，某光学半导体公司高管表示：“5G的部署无论对无论是小蜂窝系统还是大规模MIMO系统都面临功耗、尺寸和重量等多方面的挑战。相比目前的4G网络，5G通道数量将有明显增加，这将直接导致整机的成本大幅提高。在这样的背景下，对于大规模商用部署，低成本方案就变得尤为重要。”

　　因此现如今国家主要采用6GHz以下频段为5G前期使用频段，这不仅是为了让用户与运营商能够在前期顺利的从4G过渡到5G当中，更是为了避免直接建设高频段5G基站的高成本问题。