TD-LTE+Massive MIMO：5G还是中国先行？

　　早在2015年9月，中国移动就成功完成了世界上首个于商用4G网络上的Massive MIMO部署。软银应该是继中国移动之后，全球第二个部署TD-LTE+Massive MIMO的运营商。

　　我们才不关心网络峰值速率呢，我们关心的是如何提升最低速率。

　　前不久，来自软银的网络规划负责人如是说。

　　这位负责人表示，软银网络的最低速率在1 Mbit/s和5 Mbit/s之间，这拉低了用户的移动视频体验。而之前的网络更糟糕，有20%的用户不得不忍受低于2Mbit/s的速率，今天这一比例终于下降至几个百分点。

　　但是，在改善用户体验的道路上依然充满挑战。

　　软银希望将网络的最低速率再提升一点，让每个用户都能体验到5 Mbit/s以上的速率。

　　于是，他们决定采用Massive MIMO解决方案，而这一方案的提供者正是来自中国的设备商——华为和中兴。

　　软银还认为，Massive MIMO技术是5G的关键。

　　2015年12月，软银旗下的WCP（无线城市规划公司）获得了总务省的许可，开始在2.5GHz上试验基于TDD的Massive MIMO。

　　这是今年软银的Massive MIMO站点…

　　

　　

　　早在2015年9月，中国移动就成功完成了世界上首个于商用4G网络上的Massive MIMO部署。软银应该是继中国移动之后，全球第二个部署TD-LTE+Massive MIMO的运营商。

　　TDD、Massive MIMO究竟是怎么回事？对5G意味着什么？我们先从技术原理说起。

　　我们说未来的5G网络是一个异构网络。。.

　　

　　具体的讲，就是在现有宏小区下重叠配置工作于高频段的Small Cells，并利旧原宏基站的回传线路。

　　在这样的网络构架下，控制面和用户面分离。工作于低频段且覆盖范围大的宏小区主要负责控制面，传送控制信令；而工作于高频段的Small Cells只负责用户面，传送用户数据流量。

　　由于Small Cells工作于高频段，信号带宽更宽，可获得更高的数据速率，解决网络的流量需求，比如100MHz带宽就可获得10 Gbps的峰值速率。

　　不过，问题来了。由于高频段信号传播损耗大，这就需要采用大规模多天线技术来实现空间分集，抑制传播损耗。

　　采用平板阵列天线时，由于相邻天线元间距为半个波长，那么，工作于20GHz高频段的天线上的天线阵元间距为7.5毫米，这就意味着在12平方厘米的平板上可分布256个天线单元。

　　如下图所示：

　　

　　当然，频率越高，波长越短，则相同大小的面板可安装的天线单元就越多。

　　大规模多天线系统可以控制每一个天线单元的发射（或接收）信号的相位和信号幅度，产生具有指向性的波束，消除来自四面八方的干扰，增强波束方向的信号。这就是波束赋形，它可补偿无线传播损耗。

　　

　　至于3D Beamforming，是指在三维空间（水平和垂直空间）形成传输信号的分离波束。

　　波束赋形的效果怎样？

　　我们来看一看在发射功率为33dBm下，分别工作于3.5GHz、10GHz和20GHz频段下的波束赋形的覆盖距离。

　　

　　上图表明了大规模天线面板大小分别为20、40和80平方厘米时，不同频段下波束赋形的覆盖距离。

　　由图可知，在同等数量天线单元情况下，频率越高，覆盖距离越短。但是，这可以通过增加天线数量来补偿，比如，工作于10 GHz 频段的100个天线单元（1010）的覆盖距离为490米，而工作于20 GHz频段下的400个天线单元（2020）则可达到近乎相等的覆盖距离——437米。

　　当然，随着频段的上升，要想达到相同的覆盖距离，就需要增加天线单元数量，这意味着天线成本的上升。所以，降低天线成本成为5G 多天线技术的关键问题。

　　啰嗦了半天，现在总算该Massive MIMO出场了。

　　采用了MIMO和波束赋形技术的大规模多天线系统称为Massive MIMO。Massive MIMO不但利用了大规模单元天线来补偿传播损耗，扩展覆盖范围，还同时连接多个用户，利用多用户复用来提升系统容量。同时，Massive MIMO还能通过空间复用的方式，将多个数据流从不同的天线发射出去，提升单个用户的传输速率。

　　

　　一个比较简单通俗的解释就是，传统基站相当于一条高速路上行驶多辆车，一旦车流增多，就会造成拥堵，行驶缓慢。而Massive MIMO为每一辆车开辟了一条专用道路。

　　

　　不过，采用Massive MIMO时，为了避免不同数据流、不同用户间的干扰，在信号发射前，需要对信号进行预处理。

　　具体的讲，由于在Massive MIMO下，系统处于“中心基站－分散终端”的工作模式，信号传输发生在基站和各个用户之间，各个用户之间无法通信，单个用户对其它用户的信道情况和发送信息一无所知，所以，基站需要收集所有用户的CSI（Channel States InformaTIon，信道状态信息）来进行预处理，将用户信号进行有效分离，从而对抗用户间的干扰。

　　基站能否精确获取上下行信道的CSI非常重要，这直接关系Massive MIMO的性能。

　　由于TDD系统上下行使用同一频段，所以可以单边的基于上行信道状况估计下行信道，即利用下行信道与上行信道所具有的互易性而获得信道状态信息。

　　而FDD系统上下行工作于不同的频段，发送端只能通过接收端反馈才可获得信道状态信息，相对于TDD，这就多了大量CSI信息反馈这一步。随着天线数目的增加，就会引发系统反馈开销增加、系统反馈信息的准确性和及时性降低等问题。

　　简而言之，Massive MIMO更容易在TDD上进行部署，且已经实现部署。

　　事实上，无论是6GHz以下低频段还是6GHz以上高频段，基于TDD技术的Massive MIMO优势突出。所以，有人认为，5G时代高频段引入，更多的意味着采用TDD模式来精确估计信道状态。

　　对于TD-LTE + Massive MIMO部署，可以说，这是TD-LTE阵营在5G道路上的一次先行。美国运营商希望在28GHz毫米波上有所突破，而来自中国的基于6GHz以下TDD频段的Massive MIMO已经商用，后续我们还将看到基于3.4Ghz至3.6Ghz的TDD频段上Massive MIMO部署，和更高频段上的Massive MIMO部署。

　　这也符合5G自然生长规律，我们先从低频段入手，解决最低速率问题，做好连接，然后再引入高频段提升峰值速率，做优连接。