David Astely：爱立信无线电研究中心的首席研究员。
Peter von Butovitsch：爱立信Systems & Technology技术经理。
Sebastian Faxér：爱立信5G产品线战略产品经理，负责大规模MIMO软件解决方案。
Erik Larsson：爱立信5G概念开发和网络性能研究人员，专注于大规模MIMO。

【编者按】这篇文章探讨了网络运营商可用于提高频谱效率的全系列5大规模MIMO无线电和功能选项，还提供了一套指导原则，以简化在任何给定情况下选择最具成本效益的无线电解决方案的过程。

5G NR的设计从一开始就完全支持作为原生技术的大规模MIMO。大规模MIMO提供的覆盖范围、容量和用户吞吐量大幅增加，使其迅速成为蜂窝网络部署的自然和重要组成部分。

大规模MIMO无线电是在中频TDD频谱上部署新5G的领先无线电解决方案。使用更多无线电链的能力——例如 16-64，与传统无线电解决方案中通常使用的2-8相比——使得通信服务提供商（CSP）可以从多天线技术中显著受益。

尽管大规模MIMO仍然是一项相对较新的技术——这个术语大约十年前在学术界首次出现，大约五年后第一个商业解决方案进入市场——但该技术已经迅速成熟，能够创建具有成本效益的解决方案，这些解决方案是体积小，重量轻的产品。当今市场上的大多数大规模 MIMO 解决方案已经经历了多代硬件，通常具有用于波束赋型和物理层处理的优化专用集成电路。它们有多种不同的模型，针对各种部署场景进行了优化。

一、网络要求概述

预计5G网络在容量和用户体验方面将超越当今的4G网络，以满足永无止境的流量增长和不断提高的期望，不仅在移动宽带服务方面，而且在XR（扩展现实）等新服务方面。

考虑到这一点，CSP可以通过三种方式提高容量和用户吞吐量：提高现有频段的频谱效率、添加新频谱以及通过更多站点来致密化网络。与获取和维护新站点相关的高成本意味着通常只有在其他两个替代方案都用尽后才能做出密集网络的决定。

通常首先探索提高频谱效率，因为它与最低成本相关。但是，几乎可以肯定需要额外的频谱来满足5G性能要求。许多国家已经为5G部署分配了大量新频谱，这些频谱有可能释放大量容量。但是，相关频谱通常位于更高的频段，例如3.5GHz，与用于4G的频率相比，无线电传播更具挑战性。在现有站点上有效使用该频谱的唯一方法是使用提供更好覆盖范围的无线电解决方案。

从用户的角度来看，网络的所有部分对吞吐量的要求通常是相似的。然而，从网络的角度来看，不同站点服务的小区在大小和流量负载方面可能会有很大差异，这意味着对覆盖和容量的不同要求。在所有环境中都可以找到具有高、中或低流量负载的小区。

此外，随着时间的推移，每个站点的流量负载通常存在相当大的变化。每个小区的高峰时段负载水平以及随时间推移的预期流量增长设定了容量要求。站点必须在整个投资周期（通常为五到七年）内处理预期的流量负载。

除了性能要求外，某些站点还需要考虑与部署相关的要求。这些限制中最重要的是易于部署和成本效率。易于部署包括设备的尺寸、重量和视觉效果等方面。资本支出和运营支出方面的成本效率始终很重要，因为CSP所做的投资有望提供足够的价值。成本效率的一个常用指标是单位容量成本，它提供了产品本身成本和它在网络性能方面的价值之间的权衡。

简而言之，网络中不同站点在覆盖范围、容量和易于部署方面的网络要求各不相同。在所有站点使用相同的无线电解决方案既不经济也不可行，这就是为什么可以使用不同的无线电解决方案的原因。

二、多天线技术

大规模MIMO通过使用如图 1 所示的三种多天线技术——波束赋型、波束零陷（null forming）和空间复用来提高网络覆盖范围和容量。这三种技术都适用于下行链路（DL）和上行链路（UL）。

波束赋型的目的是在某些方向上比其他方向更多地放大发送/接收的信号。目标是在感兴趣的设备方向上实现高波束赋型增益，以提高信号与干扰加噪声比（SINR）方面的链路质量。这转化为单个链路的更高频谱效率和/或更好的覆盖范围，进而导致更好的网络覆盖范围、容量和用户吞吐量。

波束零陷是波束赋型的一种变体，它努力降低某些方向上的波束增益，甚至将其降低到零。通过在受干扰收发器所在的方向故意创建零点或较低增益，可以滤除干扰信号，从而降低干扰水平、提高SINR和提高频谱效率。

空间多路复用是指在同一时频符号上多路复用多个数据流或层的技术。多路复用的数据流可以全部到达同一个设备或不同的设备。所有层属于同一设备的情况称为单用户MIMO（SU-MIMO），而涉及多个设备空间复用的情况称为多用户MIMO（MU-MIMO）。空间复用可以提高频谱效率，从而提高用户吞吐量和网络容量。

波束赋型和SU-MIMO是大规模MIMO的核心。波束赋型增加接收信号电平而不增加平均干扰电平的能力是获得高性能的关键。无论DL/UL、流量负载或用户处于好还是坏的位置，都可以在各种情况下实现显著的波束赋型增益。覆盖范围、容量和用户吞吐量普遍提高。波束赋型的一个特别重要的优势是它能够增加DL和UL覆盖范围。

具有SU-MIMO的空间复用受益于高信号电平。波束赋型有助于提高信号电平，然后可以将其用于单用户空间复用。特别是在DL中，一个特定用户的多个层通常可以在一个小区的大部分中得到支持。这有助于其普遍适用性。

MU-MIMO在高流量负载和良好信道条件下提高了性能。这些是相互矛盾的要求，因为高业务负载通常会导致更高的小区间干扰水平，这意味着更差的信道条件。与SU-MIMO相比，对MU-MIMO的要求要多得多，才能实现有意义的性能改进。尽管如此，MU-MIMO仍然是用于高负载小区的强大容量增强工具。

对选定用户的有意波束零陷有助于减少对这些用户的干扰。它是MU-MIMO中缓解小区间干扰的关键子组件，也常用于上行和下行的接收端抑制小区间干扰。

三、大规模MIMO功能

所有Massive MIMO解决方案都包含硬件（一个或多个Massive MIMO无线电）和软件（Massive MIMO功能）。大规模MIMO功能可以用三个因素来描述：

①大规模MIMO功能旨在满足的网络要求；
②可用的信道知识；
③可以使用②中收集的信道知识来应用多天线技术（或技术组合）以满足①中的要求。

这三个因素的不同排列将产生独特的大规模MIMO特性——可能具有不同的权衡和对不同条件的适用性。

首先，必须明确该功能旨在满足的要求——它应该提高覆盖范围、提高容量还是提高吞吐量？在某些情况下，一个功能可以解决多个问题，而在其他情况下，可能需要进行权衡。例如，提高能源效率的功能可能会对容量产生负面影响。因此，必须评估在特定时间对于特定小区哪些性能要求最重要。例如，在非高峰时段，小区中的容量需求可能较低，因此可以接受甚至希望应用牺牲容量来提高能源效率的功能。

所有Massive MIMO特性都源于将三种基本多天线技术组合应用到物理信道或信号，并使用可用的信道知识来解决特定问题。这听起来很简单，但有几个方面需要考虑，从而产生各种各样的潜在功能。一个中心问题是如何获得执行三种基本多天线技术所需的信道知识。这可以通过多种方式实现，但重要的是要了解获取信道状态信息（CSI）始终存在相关成本。增加的开销只是一个例子。

还有一个CSI可用性的问题。3GPP标准中有不同的探测和反馈方法，不同的用户设备（UE）可能有不同的能力，支持不同的CSI反馈和探测格式。因此，网络必须同时支持多个大规模 MIMO功能。即使UE支持某种CSI反馈和探测格式，该CSI也可能在某个时间点上不可用。例如，当UE首次连接到小区时，通常没有可用的信道信息，并且需要设置测量或探测配置，这意味着在此类CSI可用于网络之前存在提前时间。

与CSI可用时相比，当CSI有限/没有可用时，需要不同的MIMO特性集。大规模MIMO功能可以在较高级别分类为使用基于反馈或探测的信道信息以及使用SU-MIMO或MU-MIMO。实际上，从3GPP标准中可用的内容和专有算法的角度来看，如何实现功能的这些方面有很多选择。

通过比较大规模MIMO功能与感兴趣的网络关键性能指标（覆盖范围、容量和用户吞吐量），它们表现出不同的优势和劣势。基于反馈的波束赋形在覆盖范围上优于基于探测的波束赋形。同样，SU-MIMO比MU-MIMO具有覆盖优势。这是因为MU-MIMO需要更详细的CSI，并且因为MU-MIMO需要在多个用户之间分配可用的发射功率。为了充分发挥Massive MIMO解决方案的潜力，需要动态调整/切换算法，使覆盖、容量和峰值速率共同最大化，这就是Massive MIMO解决方案的典型设计方式。

四、大规模MIMO无线电

与将单独的基带连接到单独的无源天线的远程无线电单元（RRU）的传统解决方案不同，Massive MIMO无线电将无线电、天线和一些基带功能集成在同一单元中。以这种方式构建大规模MIMO无线电的原因是避免它们需要在无线电和基带之间的接口上支持非常高的数据速率。图2展示了具有集成天线阵列的大规模MIMO无线电，该天线阵列被划分为多个子阵列。

天线有两个主要特性会影响MIMO无线电解决方案的特性。首先是总天线阵列尺寸：最大天线增益与总天线阵列尺寸成正比。第二个是天线阵列如何划分为子阵列。每个子阵列使用一对无线电链单独控制。分区越细（即子阵列越小），可操控性越好。然而，更精细的分区也会导致更高的成本和更大的复杂性，因为相同大小的阵列需要更多的无线电链。

影响子阵列划分有效性的一个关键因素是部署场景，尤其是用户的角度分布。由于用户通常均匀分布在水平域中，因此水平域中的精细划分，提供卓越的水平域波束赋型，是有益的。然而，垂直域中用户的分布高度依赖于场景。

在密集的城市高层部署中，垂直域中的用户可能大量分布——也就是说，小区的高度几乎与宽度一样。在这些场景中，具有短子阵列和许多无线电链的垂直域波束赋型可提供性能优势。然而，在其他郊区或农村的部署中，用户在垂直域中的分布小，更高的子阵列和更少的无线电链最有可能提供具有竞争力的性能，使该解决方案成为更具成本效益的选择。

一般来说，在选择不同的无线电解决方案时需要考虑几个重要的设计参数：

①无线电参数，例如无线电链的数量、输出功率、带宽和频段的数量；
②天线阵列特性，如天线尺寸和子阵列结构；
③成本效益和外形参数，例如尺寸和重量。

在为网络的不同部分选择具有合适特性的大规模MIMO无线电解决方案时，所有这些参数都是必不可少的。

五、选择合适的无线电解决方案——指导原则

对于许多CSP而言，发展其网络以满足网络要求的第一种也是最具成本效益的方法是部署所有可用频谱，包括新的5G中频频谱。这将释放大量容量并提供卓越的消费者体验。然后，可以通过选择大规模MIMO或传统无线电解决方案以及软件功能来进一步区分性能。新的5G中频段的覆盖通常比现有的4G频段更具挑战性，这使得具有卓越波束赋型能力的大规模 MIMO比RRU更具优势。

为确保选择合适的无线电解决方案，CSP应首先审查现有网络资产以及为满足其独特的业务目标而制定的策略。现有的网络资产——频谱、站点和设备——是决定如何发展网络的核心。频谱是CSP最有价值的资产，因为它直接影响可实现的网络容量和消费者体验。无线电站点是另一项重要资产，通常难以获得和维护，而且成本高昂。因此，CSP通常希望在获取新站点之前最大限度地利用可用站点。

关于策略，CSP必须考虑它所拥有的与提供哪些服务、提供什么QoS以及在网络中的何处提供这些服务有关的任何策略。不同服务的需求可以在容量和用户吞吐量方面映射到网络需求。

一旦收集到有关现有网络资产和策略的输入，下一步就是进行分析，以找到与网络中每个站点相关的性能要求和约束。关于服务（哪些、什么和在哪里）的问题的答案可以转化为特定的网络需求。当前的网络流量负载和预测的流量增长（包括新、旧服务）提供了网络必须支持的最大流量（容量）的输入。

部署环境也对哪些无线电（硬件和软件）特性在网络性能方面产生了深远的影响。对于很多站点来说，对物理尺寸、安装方便、视觉影响小等都有要求。这些要求可能受场地建设限制、美学要求、风荷载和场地可达性等因素的驱动，在某些情况下，它们是选择过程中的决定性因素。

根据对整个投资周期（通常为5到7年）的总拥有成本的评估，决策过程的最后一步涉及每个站点在投资周期内选择满足以下要求和限制的无线电和功能解决方案。无线电解决方案工具箱包括大规模MIMO和传统无线电。与无线电解决方案相比，功能解决方案可以更渐进地实施，以响应新出现的需求。

六、网络演进示例

图3显示了一个网络演进示例，其中在三个不同的站点位置（站点 A、B和C）添加5G中频频谱。橙色、紫色和绿色分别代表高、中和低流量负载水平。

站点A处于流量负载高、流量增长快的区域，在大小、重量等方面没有部署限制。为了在这种情况下释放5G中频频谱的全部潜力，我们建议使用高端大规模MIMO无线电，它提供大带宽、高有效全向辐射功率（EIRP）等，以实现卓越的水平-和垂直域波束赋型。垂直域波束赋型是受激励的，因为垂直域中的UE分布很大。从功能的角度来看，应该部署所有可用的容量增强功能。

站点B位于郊区，站点间距离大，流量负荷大，对流量增长的期望很高。与站点A一样，在这种情况下，我们会推荐高端的Massive MIMO产品，该产品提供大带宽和高EIRP以满足覆盖和容量要求。然而，与站点A不同的是，站点B中的UE被限制在垂直域中的一个小角度区域。因此，支持较少垂直域波束赋型的产品就足够了。

站点C位于流量增长缓慢的低流量郊区，其中易于部署是一个重要因素。后一点需要小型无线电解决方案，而前一点表明提供较小容量的低端无线电仍然可以满足要求。因此，在这种情况下，具有少量无线电链的传统无线电解决方案将成为大规模MIMO解决方案的一种经济高效的替代方案。

七、结论

大规模MIMO技术通过使用多天线技术来提高频谱效率，从而显著提高网络覆盖范围、容量和用户吞吐量。如今，大多数5G中频TDD部署都采用了大规模MIMO技术，以释放新频谱的全部潜力，而无需进行站点密集化。大规模MIMO无线电已迅速成熟，并在尺寸、重量和成本方面具有竞争力。提供具有不同特性的多种无线电和功能选项，以经济高效的方式满足网络中各种类型站点的特定要求。