MIMO技术引领5G通信：速度、容量与效率的完美融合

根据贝哲斯咨询的数据统计显示，2024年全球5G大规模MIMO市场容量达到了一定的规模，但具体数值未直接给出，以“亿元（人民币）”为单位。不过，有预测显示，2024年至2029年，全球大规模MIMO市场预计将以40.8%的复合增速增长。

什么是MIMO

要充分发挥5G的多Gbps数据速度和超低延迟潜力，移动运营商需要在所有网络参数上提升性能。这意味着需要在频谱获取、网络基础设施和传输技术方面进行大量投资。无论采用何种方式，全国范围的5G部署对移动网络运营商来说都将非常昂贵。在不耗尽资金的情况下提供5G服务，是阻碍其广泛采用的最大障碍。尽管高频毫米波备受关注，但运营商正在Sub-6GHz频段部署大规模MIMO（多输入多输出）技术，以最大限度地降低成本，并在全国移动网络范围内推出5G服务。

MIMO，即“多输入多输出”，是一种无线通信天线技术，使用多个天线来发送和接收信号。与传统的无线通信中使用的单一天线不同，MIMO通过不同的天线将相同的数据作为多个信号发送。这实现了空间复用，即每个信道向接收器传输独立的信息，使MIMO相比传统的单一天线具有多重优势。

当射频信号遇到建筑物等障碍物时，信号会发生散射，并沿不同的路径到达目标接收器。这种多径传播在单天线系统中会导致接收质量差、通话中断和数据速度急剧下降。MIMO无线电接收并结合多个相同数据的流，因此能够利用多径传播来改善信号质量和强度，见图1。如果环境散射足够丰富，则可以在相同的分配带宽内创建许多独立的子信道，从而在不需要额外带宽或功率的情况下获得质量和信号增益。网络运营商可以专注于建设更多天线以满足需求，而不是建设更多的基站。

MIMO天线阵列还可以通过波束赋形和波束转向将信号聚焦到单个用户的方向。单一天线向所有方向广播无线信号，但通过数字和模拟方法，多个天线可以将信号聚焦到接收器的特定方向，见图2。这极大地提高了频谱效率和功率效率。

图2 4x4 MIMO示意图

5G的大规模MIMO

过去几代无线技术都利用了MIMO在天线阵列技术上的进步来提高网络速度。3G引入了单用户MIMO，它利用多个同时传输的数据流从基站向单个用户传输数据。4G系统则使用多用户MIMO，为不同的用户分配不同的数据流，从而实现显著的容量和性能优势。随着5G新无线标准的推出，MIMO变得“大规模化”。4G系统通常配备四个发射天线和四个接收天线，即4×4天线阵列。而5G大规模MIMO则使用多得多的发射和接收天线来增加传输增益和频谱效率；有些阵列的规模甚至达到256×256。

由于大规模MIMO使用的天线数量更多，因此传输给接收器的信号波束要窄得多。这使得基站能够更精确、更高效地向客户传输射频能量。每个天线的相位和增益都是单独控制的，并且由于信道信息保留在基站内，移动设备不需要多个接收天线。基站天线的大量增加提高了小区内的信噪比，从而提高了小区站点的容量和吞吐量。

同样重要的是，5G技术建立在4G网络基础设施之上，并且可以使用动态频谱共享技术与之前的技术共享频谱。这使得移动网络运营商能够增加网络容量、提供高数据速率并节省频谱，同时最大限度地降低运营商的费用。

毫米波的希望与Sub-6 GHz的现实

毫米波技术（mmWave）和5G常常被错误地认为是同义词。毫米波是射频频谱上位于24GHz至100GHz之间的一个频段，5G网络除了使用“低频段”和“Sub-6GHz”频段外，还使用这个频段。此前，由于该频段的信号传播损耗高，且易被建筑物、树叶、雨水和人体阻挡，因此被认为不适合用于移动通信，见图5。然而，这些短波长能够在短距离内传输更多数据。显然，要实现5G的20Gb/s数据速率目标，最终必须使用毫米波频谱。虽然移动通信领域的许多人对毫米波的前景感到兴奋，但对其在全国范围内部署的后勤挑战却关注不够。

图5 毫米波传播损耗示意图

从基站的角度来看，这一点变得尤为明显。毫米波基站的覆盖范围远小于传输低频信号的基站。为了实现全国覆盖，研究人员估计，美国网络运营商将需要部署1300万个基站。从数字上来看，目前美国移动网络由大约30万个基站支持。在全国范围内部署所有这些毫米波基站所需的资本支出，因毫米波昂贵的功耗需求而进一步增加。除了体育场和城市热点地区外，未来几年内，在全国范围内部署毫米波并不现实。

在原始设备制造商努力降低毫米波技术成本的同时，5G网络运营商将依赖Sub-6GHz频段。低频信号能够更深入地穿透建筑物等障碍物，并在基站周围覆盖更大的区域后才逐渐衰减，因此适合农村和城市地区，见图6。这意味着Sub-6 5G可以用更少的基站实现更多功能，并利用运营商已有的基站。

图6 射频信号穿过障碍物示意图

大规模MIMO的基础设施要求

尽管Sub-6 5G无法实现毫米波所带来的巨大速度提升，但其大规模MIMO天线阵列将支持更多的同时连接，提高信号吞吐量，并在用户覆盖和容量之间提供最佳平衡。这是一条更现实的实施路径。Sub-6GHz 5G的部署将比毫米波部署更快地提高移动宽带的速度和一致性。它在当前4G系统的基础上立即实现改进，同时朝着完全集成的5G网络发展。因此，业内许多人预计，运营商将竞购较低频段的频谱，以便在这些频段内利用动态频谱共享技术提供3G、4G和5G服务。我们已经在国际5G实施中看到了这种方法的应用。韩国两年前就开始在较低频段部署5G，而中国则将在未来几年内彻底改造其整个网络基础设施，以实现全国5G覆盖。

这并不是说Sub-6 5G的部署会很简单；这些新技术带来了重大的系统设计挑战。为了在5G基站上应用大规模MIMO技术，设计人员需要开发包含数百个天线元件的高度复杂系统。许多系统采用有源相控阵天线，以便能够动态地塑造和引导波束到特定用户。所有这些额外的天线带来了更好的性能，但这些大型天线阵列消耗更多的功率，并且需要专用的射频前端（RFFE）芯片组和放大。

构建支持这些新Sub-6 5G应用的射频前端将是一项挑战。射频前端电路对于4G系统的输出功率、选择性和功耗已经至关重要。5G调制方案带来了额外的需求，因此无线基础设施功率放大器（PA）必须非常高效，才能达到必要的线性度。此外，峰值和最小功率需求之间的巨大差异给功率放大器和射频前端都带来了热问题。