5G NR — Massive MIMO 与波束赋形
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全向天线
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定向天线
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智能天线 MIMO
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- 传输分集
- 空间复用
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Massive MIMO
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- 有源天线
- 波束赋型
全向天线
在移动通信1G时代，移动通信基站主要使用全方向天线。该时期用户基数较小，传输速度相对较低。
定向天线
到了2G时代，天线发展为定向天线。例如，天线覆盖角度设定为120度，一个小区通常划分为三个扇区，最终发展成为蜂窝制式通信技术。
智能天线 MIMO
在3G时代，智能天线应运而生。单个天线逐渐演变为多天线阵列，这正是我们常说的MIMO技术的基础。MIMO技术的全称是Multiple-Input Multiple-Output，即多入多出技术。
MIMO（Multiple Input Multiple Output，多进多出）技术旨在显著提升信道容量，通过在发送端和接收端部署多根天线，在收发之间形成多对多的信道网络。MIMO系统显著特征在于其极高的频谱利用效率，通过在现有频谱资源基础上最大化利用，同时借助空间资源实现可靠性与有效性的双重提升，但这一特性带来了发送端与接收端处理复杂度的增加。大规模MIMO技术通过大量天线服务于相对较少的用户群体，从而显著提升了频谱效率。
鉴于无线通信网络的技术发展，理论上可以增加若干天线，这种多输入多输出技术的引入，正是为了显著提升无线通信网络的传输效率。鉴于此，MIMO技术的提出必然是基于多天线系统能够构建多条独立的传输路径。这不仅要求基站设备必须具备多天线发射能力，同时也需要终端设备能够支持多天线接收技术，以满足这一技术需求。
SISO system（Single Input Single Output）：such systems are highly vulnerable.
SIMO（Single Input Multiple Output）：单输入多输出，即通过多条传输路径发送数据，即使其中一条路径的数据丢失，手机仍可通过其他路径接收到数据。每条传输路径发送的数据，即使部分丢失，手机仍可通过任意一条路径接收到数据。虽然每条路径的最大容量未变，但通过多条路径接收到数据，成功接收的概率却提升了50%。这种方式也被称为接收分集（Receiver Combining）。
MISO（Multiple Input Single Output）：多输入单输出，同理，尽管最大容量保持不变，但通信的成功率提高了一倍。这种方式也可称为发射分集。
MIMO（Multiple Input Multiple Output）：多输入多输出技术，由于基站和手机均配备了两根天线，硬件上支持同时收发两路数据的条件。通过多天线技术，利用不同传输通道并行发送多份不同数据，从而提升容量的方法被称为空分复用。
对于 MIMO 的性能而言，类似木桶效应的原理表明：一个 MIMO 系统的最大容量受限于其最薄弱的那一块技术环节。这实际上就是判断 MIMO 系统最大容量最简便的方法，MIMO 系统的性能通常表示为 AxB MIMO，其中 A 代表基站的天线数量，B 则代表用户端设备的天线数量。
传输分集
那么，如何有效利用新增的通信通道数量呢？最初，工程师们将这一技术应用于增强覆盖性能。他们基于MIMO技术，提出了“传输分集”这一新型传输模式。具体而言，就是将相同的信号通过不同的天线同时发送出去，从而实现更高效的信号传递。这种模式能够有效缓解信道质量不稳定所带来的性能损失，从而显著提升通信覆盖范围和质量。
空间复用
随后，MIMO 又衍生出一种新的技术模式，即 "空间复用"。空间复用通过将需要传输的数据划分为多个数据流，并在不同的天线上进行发送，从而显著提升了系统的传输速率。
该模式的主要目标是提升小区容量。在实际应用中，同一部分天线无法同时用于分集传输和空间复用。因此，MIMO天线需在上述两种模式间进行权衡。权衡的结果直接影响频率资源的利用效率。
Massive MIMO
在4G向5G演进的过程中，随着频率的提升，天线尺寸持续缩小，而天线数量则显著增加。因此，MIMO技术发展成为Massive MIMO技术，即“大规模MIMO”。传统的MIMO技术通常配备2、4或8个天线，而Massive MIMO技术则采用了超过100个天线的高规模部署。
Massive MIMO通过集成更多的射频通道和天线，实现了三维精准波束赋形和多流多用户复用技术。在发送端和接收端，Massive MIMO将多天线进行聚合，在波束赋形的作用下，将每个信号引导到接收端的最佳路径上，从而显著提升了信号强度，有效避免了信号干扰，显著提升了覆盖范围和传输容量。
可见，Massive MIMO 主要使用了有源天线、波束赋形技术：
- 有源天线：AAS（Active Array System）技术通过将天线阵列中的每个辐射单元与相应的射频/数字电路模块集成化，实现了基带独立控制每个振子。
- 波束赋形（Beamforming）：通过波束赋形技术，可以将信号能量集中于用户指定的方向，从而显著增强信号强度并有效抑制其他方向的干扰。使用更多的天线单元，可以进一步减小波束的宽度，提高方向性。
Massive MIMO 和波束赋形主要有 4 大优点：
- 更先进的 3D 波束赋形技术，显著提升用户端设备的信号接收强度；
- 同一频段内通过多用户空分技术实现更多用户服务，显著提升网络承载能力；
- 有效降低小区间内的干扰；
- 更全面地覆盖远端及近端小区。
基于Massive MIMO技术，在不同天线模式配置下，分别对应不同方向角和下倾角配置下，增益分布特性呈现显著差异。因此，可以根据不同的覆盖场景设置相应的广播波束方向，以满足多种覆盖需求。
常见三种场景如下：
高楼场景：使用垂直面覆盖比较宽的波束，提升垂直覆盖范围。
广场场景：近点使用宽波束，保证接入，远点使用窄波束，提升覆盖。
小区间干扰场景：可以使用水平扫描范围相对窄的波束，避免强干扰源。
应用场景和 Pattern 如下：
有源天线
例如，64T64R天线是5G的重要选项之一。它即为64通道Massive MIMO天线，由192个天线振子构成。
波束赋型
Massive MIMO的出现，为传输模式带来了新的可能性。Massive MIMO系统通过调节每个天线单元的相位和幅度，能够实现信号的指向性传播。通过协调多个天线单元的调节，系统能够产生具有方向性的波束。这样一来，无线信号能量在接收端实现了叠加，从而显著提升了信号强度。这一技术也可被称作波束赋型。
通过波束赋型，可以让波束的能量向指定的方向集中。它不仅能够增强覆盖距离，还能有效降低相邻波束间的干扰，从而支持更多用户同时通信，提升小区容量。这说明它集成了分集和复用的优点。
值得注意的是，波束赋型的效果受天线数量和算法质量的影响。算法基于手机位置和状态信息进行实时计算，并通过天线形成理想波束。相比之下，分集和复用方式较为宽松，尤其在手机信息不足（如移动速度过快）时仍能发挥显著作用。
除了提升覆盖能力和容量之外，Massive MIMO系统还具备另一个关键优势——当天线振子数量足够多时，该技术系统能够突破空间限制。对于16T16R以下的Massive MIMO天线阵列，其覆盖性能仅局限于水平维度的2D波束赋型。而采用32T32R和64T64R的Massive MIMO天线阵列，则能够实现水平和垂直方向的3D波束赋型，从而有效提升对高层住宅区域的覆盖能力。
由此可见，Massive MIMO 将多天线技术提升到了一个更高的水平。Massive MIMO 和波束赋型这对史上最强CP，也可称为5G核心技术，名不虚传。
Massive MIMO联合波束赋型技术所释放的能量，不仅体现了技术实力，也对厂商在软硬件研发能力上的造诣提出了严峻挑战。在研发过程中，天线系统的滤波特性、增益作用以及抗干扰能力的优化，都是工程师们必须深入思考的关键问题。当天线数量与手机终端数量不断增加时，天线系统的复杂度显著提升，这对算法的性能和芯片的处理能力提出了更高的要求。唯有 resorting to 强大的算法，才能使波束赋型技术呈现出如同舞台追光般的理想效果。
