TD-LTE+Massive MIMO：5G還是中國(guó)先行？

　　早在2015年9月，中國(guó)移動(dòng)就成功完成了世界上首個(gè)于商用4G網(wǎng)絡(luò)上的Massive MIMO部署。軟銀應(yīng)該是繼中國(guó)移動(dòng)之后，全球第二個(gè)部署TD-LTE+Massive MIMO的運(yùn)營(yíng)商。

　　我們才不關(guān)心網(wǎng)絡(luò)峰值速率呢，我們關(guān)心的是如何提升最低速率。

　　前不久，來(lái)自軟銀的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃負(fù)責(zé)人如是說(shuō)。

　　這位負(fù)責(zé)人表示，軟銀網(wǎng)絡(luò)的最低速率在1 Mbit/s和5 Mbit/s之間，這拉低了用戶的移動(dòng)視頻體驗(yàn)。而之前的網(wǎng)絡(luò)更糟糕，有20%的用戶不得不忍受低于2Mbit/s的速率，今天這一比例終于下降至幾個(gè)百分點(diǎn)。

　　但是，在改善用戶體驗(yàn)的道路上依然充滿挑戰(zhàn)。

　　軟銀希望將網(wǎng)絡(luò)的最低速率再提升一點(diǎn)，讓每個(gè)用戶都能體驗(yàn)到5 Mbit/s以上的速率。

　　于是，他們決定采用Massive MIMO解決方案，而這一方案的提供者正是來(lái)自中國(guó)的設(shè)備商——華為和中興。

　　軟銀還認(rèn)為，Massive MIMO技術(shù)是5G的關(guān)鍵。

　　2015年12月，軟銀旗下的WCP（無(wú)線城市規(guī)劃公司）獲得了總務(wù)省的許可，開(kāi)始在2.5GHz上試驗(yàn)基于TDD的Massive MIMO。

　　這是今年軟銀的Massive MIMO站點(diǎn)…

　　早在2015年9月，中國(guó)移動(dòng)就成功完成了世界上首個(gè)于商用4G網(wǎng)絡(luò)上的Massive MIMO部署。軟銀應(yīng)該是繼中國(guó)移動(dòng)之后，全球第二個(gè)部署TD-LTE+Massive MIMO的運(yùn)營(yíng)商。

　　TDD、Massive MIMO究竟是怎么回事？對(duì)5G意味著什么？我們先從技術(shù)原理說(shuō)起。

　　我們說(shuō)未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。。.

　　具體的講，就是在現(xiàn)有宏小區(qū)下重疊配置工作于高頻段的Small Cells，并利舊原宏基站的回傳線路。

　　在這樣的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下，控制面和用戶面分離。工作于低頻段且覆蓋范圍大的宏小區(qū)主要負(fù)責(zé)控制面，傳送控制信令；而工作于高頻段的Small Cells只負(fù)責(zé)用戶面，傳送用戶數(shù)據(jù)流量。

　　由于Small Cells工作于高頻段，信號(hào)帶寬更寬，可獲得更高的數(shù)據(jù)速率，解決網(wǎng)絡(luò)的流量需求，比如100MHz帶寬就可獲得10 Gbps的峰值速率。

　　不過(guò)，問(wèn)題來(lái)了。由于高頻段信號(hào)傳播損耗大，這就需要采用大規(guī)模多天線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)空間分集，抑制傳播損耗。

　　采用平板陣列天線時(shí)，由于相鄰天線元間距為半個(gè)波長(zhǎng)，那么，工作于20GHz高頻段的天線上的天線陣元間距為7.5毫米，這就意味著在12平方厘米的平板上可分布256個(gè)天線單元。

　　如下圖所示：

　　當(dāng)然，頻率越高，波長(zhǎng)越短，則相同大小的面板可安裝的天線單元就越多。

　　大規(guī)模多天線系統(tǒng)可以控制每一個(gè)天線單元的發(fā)射（或接收）信號(hào)的相位和信號(hào)幅度，產(chǎn)生具有指向性的波束，消除來(lái)自四面八方的干擾，增強(qiáng)波束方向的信號(hào)。這就是波束賦形，它可補(bǔ)償無(wú)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(hào)的分離波束。

　　波束賦形的效果怎樣？

　　我們來(lái)看一看在發(fā)射功率為33dBm下，分別工作于3.5GHz、10GHz和20GHz頻段下的波束賦形的覆蓋距離。

　　上圖表明了大規(guī)模天線面板大小分別為20、40和80平方厘米時(shí)，不同頻段下波束賦形的覆蓋距離。

　　由圖可知，在同等數(shù)量天線單元情況下，頻率越高，覆蓋距離越短。但是，這可以通過(guò)增加天線數(shù)量來(lái)補(bǔ)償，比如，工作于10 GHz 頻段的100個(gè)天線單元（1010）的覆蓋距離為490米，而工作于20 GHz頻段下的400個(gè)天線單元（2020）則可達(dá)到近乎相等的覆蓋距離——437米。

　　當(dāng)然，隨著頻段的上升，要想達(dá)到相同的覆蓋距離，就需要增加天線單元數(shù)量，這意味著天線成本的上升。所以，降低天線成本成為5G 多天線技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　啰嗦了半天，現(xiàn)在總算該Massive MIMO出場(chǎng)了。

　　采用了MIMO和波束賦形技術(shù)的大規(guī)模多天線系統(tǒng)稱為Massive MIMO。Massive MIMO不但利用了大規(guī)模單元天線來(lái)補(bǔ)償傳播損耗，擴(kuò)展覆蓋范圍，還同時(shí)連接多個(gè)用戶，利用多用戶復(fù)用來(lái)提升系統(tǒng)容量。同時(shí)，Massive MIMO還能通過(guò)空間復(fù)用的方式，將多個(gè)數(shù)據(jù)流從不同的天線發(fā)射出去，提升單個(gè)用戶的傳輸速率。

　　一個(gè)比較簡(jiǎn)單通俗的解釋就是，傳統(tǒng)基站相當(dāng)于一條高速路上行駛多輛車，一旦車流增多，就會(huì)造成擁堵，行駛緩慢。而Massive MIMO為每一輛車開(kāi)辟了一條專用道路。

　　不過(guò)，采用Massive MIMO時(shí)，為了避免不同數(shù)據(jù)流、不同用戶間的干擾，在信號(hào)發(fā)射前，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。

　　具體的講，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(hào)傳輸發(fā)生在基站和各個(gè)用戶之間，各個(gè)用戶之間無(wú)法通信，單個(gè)用戶對(duì)其它用戶的信道情況和發(fā)送信息一無(wú)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(lái)進(jìn)行預(yù)處理，將用戶信號(hào)進(jìn)行有效分離，從而對(duì)抗用戶間的干擾。

　　基站能否精確獲取上下行信道的CSI非常重要，這直接關(guān)系Massive MIMO的性能。

　　由于TDD系統(tǒng)上下行使用同一頻段，所以可以單邊的基于上行信道狀況估計(jì)下行信道，即利用下行信道與上行信道所具有的互易性而獲得信道狀態(tài)信息。

　　而FDD系統(tǒng)上下行工作于不同的頻段，發(fā)送端只能通過(guò)接收端反饋才可獲得信道狀態(tài)信息，相對(duì)于TDD，這就多了大量CSI信息反饋這一步。隨著天線數(shù)目的增加，就會(huì)引發(fā)系統(tǒng)反饋開(kāi)銷增加、系統(tǒng)反饋信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性降低等問(wèn)題。

　　簡(jiǎn)而言之，Massive MIMO更容易在TDD上進(jìn)行部署，且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)部署。

　　事實(shí)上，無(wú)論是6GHz以下低頻段還是6GHz以上高頻段，基于TDD技術(shù)的Massive MIMO優(yōu)勢(shì)突出。所以，有人認(rèn)為，5G時(shí)代高頻段引入，更多的意味著采用TDD模式來(lái)精確估計(jì)信道狀態(tài)。

　　對(duì)于TD-LTE + Massive MIMO部署，可以說(shuō)，這是TD-LTE陣營(yíng)在5G道路上的一次先行。美國(guó)運(yùn)營(yíng)商希望在28GHz毫米波上有所突破，而來(lái)自中國(guó)的基于6GHz以下TDD頻段的Massive MIMO已經(jīng)商用，后續(xù)我們還將看到基于3.4Ghz至3.6Ghz的TDD頻段上Massive MIMO部署，和更高頻段上的Massive MIMO部署。

　　這也符合5G自然生長(zhǎng)規(guī)律，我們先從低頻段入手，解決最低速率問(wèn)題，做好連接，然后再引入高頻段提升峰值速率，做優(yōu)連接。