多天線陣列是實現5G承諾的關鍵，所以讓我們先來看看在MIMO的幫助下我們如何從當今的4G網絡邁向未來的5G網絡的。

向5G轉變的移動标準承諾為每個用戶提供比當前可用數據速率高100倍的網絡，擁有1,000倍的容量，并支持每單位面積超100倍的連接設備。還預計可實現低至1ms的端到端延遲，99.999％的可靠性和與4G相比的100倍的能量效率。

建設5G網絡中的大部分支持技術涉及到很多問題，它們給設計工程師和測試工程師都構成了挑戰。

圖1、為了實現5G願景，5G網絡中混合應用了各種關鍵技術

衆所周知，通過信道可以發送的信息的上限是由其帶寬（以赫茲為單位測量）以及信噪比來決定的。因此，為了給每個用戶獲得更多的數據，您可以增加您所使用的信道數，以及每個信道的帶寬和信噪比的組合。

香農哈特利定理（Shannon-Hartley Theorem）：

圖2、LTE網絡中的可視化空間分集和空間複用

MIMO的優點之一是其靈活性。它可以用于提高多個連接的可靠性，它們的容量和/或其頻譜效率（每赫茲每秒傳送的信息位數）。

圖3、5G NR需要采用Beamforming技術來實現可靠通信

MIMO技術已經在4G網絡和WiFi中使用。 在2009年初第8版3GPP标準定義了兩個發射天線和兩個接收天線的應用場景，現在許多LTE網絡已經支持這種2x2 MIMO技術。 LTE-Advanced（3GPP Release 10，2011年發布）支持八個下載的MIMO流，而LTE-A Pro（3GPP Release 13，2016年初發布）支持全維度（FD，Full Dimension ）的MIMO技術，既FD-MIMO技術。

圖4、垂直面中的Beamforming數據可以改善系統性能

FD-MIMO允許一次使用八個流，64個單元（8x8）的天線陣列，并且增加垂直方位的數據以獲得更好的波束成形（Beamforming）能力。該方法使運營商能夠同時服務多個用戶，或者為同一個用戶提供多個信道，以提高其連接的可靠性或者容量。與标準的早期3GPP協議修訂版本中提供的水平方位數據一起工作的垂直方位的數據使基站能夠将在垂直面上進行波束分隔，從而能夠為多層建築中的人員提供服務。

圖5、一種支持Beamforming的電路架構示例

對于5G，3GPP的計劃是引入大規模MIMO技術（Massive MIMO），Massive MIMO中使用非常大的天線元件陣列（可能是128個天線單元），相同數量的收發信機，以及采用不同的方式來測量信道狀态信息。基站從陣列天線中發送128個不同的數據流，每個天線輻射唯一的信号，而不僅僅像FD-MIMO中那樣發送相同信号的不同相位和幅度調制版本。FD-MIMO技術可能僅在6GHz以下（Sub－6Ghz）頻率工作，而且僅限于時分雙工網絡（FDD）。

圖6、一種支持Beamforming示例

在大量MIMO（Massive MIMO）下，在相同的時間 - 頻率資源塊内，一次從所有天線向全部用戶發送數據流。不同的流被設計為讓達到不同用戶的信号之間的幹擾最小化。

（完）

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