對無線數據的無線需求不斷促使研發人員尋找新的技術來擴大無線數據容量和網絡能力。業界專家們普遍認為，即使當前和規劃中的基礎設施全面展開，數據需求仍然會繼續超過現有的能力，辯論已經從這“是否”會發生轉為“何時”發生。無線服務提供商紛紛計劃將網絡升級到4G LTE、LTE-Advanced(LTE-A)，以及更先進的技術，推出微蜂窩覆蓋、異構網絡、載波聚合、3GPP路線圖等創新方案。然而很明顯，當前技術軌跡產生的容量斜坡仍然比需求線平坦。面對此挑戰，3GPP標準實體近來提出了數據容量“到2020年增長1000倍”的目標，以滿足演進性或革命性創意的需要。

　　這種概念要求基站部署極大規模的天線陣列，可能包含成百上千的收發器。此概念稱為大規模MIMO.的確，大規模MIMO脫離了當前的網絡拓補，可能是解決我們所面對的無線數據挑戰的關鍵;然而，在認知大規模MIMO廣泛部署的效能和/或可行性的過程中，出現了一個值得關注的問題，有人會創建一個原型，只為確定它是否真正行之有效嗎?畢竟，創建一個具有上千天線的原型會帶來若干工程上的挑戰，另外還有其他不可忽視的問題，即成本和時間。

　　MIMO背景

　　MIMO依賴多路來提高無線數據鏈路的可靠性以及有效數據率，通常使用數根獨立天線獲得多個數據流。多路傳播是通信系統面臨的巨大挑戰，實踐中采用MIMO，運用空間-時間編碼和/或空間分集等多種技術。1 4G移動通信標準LTE-A規定MIMO組態最多使用8根天線。IEEE 802.11n/ac標準以及這些標準的實際商業化均普遍使用MIMO.

　　基本上，更多天線會給傳播通道帶來更高的自由度，從而在數據率和/或鏈路可靠性方面擁有更高的性能。然而，總體數據率仍然受到香農理論的限制。在多個用戶組成的網絡中，增大總體網絡吞吐量的一種方法是多用戶MIMO(MU-MIMO)，其中，多個用戶可以同時訪問同一時頻資源，但是通過多根天線產生的多“空間維度”實現隔離。

　　更多天線，更大容量，更高的可靠性

　　增大MU-MIMO的規模，稱為大規模MIMO，可以提供更大的網絡容量、更高的可靠性，并通過降低一個蜂窩或服務地區的總發射功率而提高大規模MIMO基站的能量效率。理論上，每根天線的發射功率能夠低于以相同數據率為指定蜂窩或者地區服務的單根天線的發射功率。即，總功率為：

　　PTotMM~ PT NT

　　其中，PTotMM是每個地區的總傳輸功率，PT是每根天線的功率，NT是發射天線的數目。其中，PTotMM低于單天線系統的PTot.與單天線系統相比，為了達到相同的可靠性和/或吞吐量，由于大規模MIMO基站能夠憑借其更高的自由度而將發射的能量聚焦于目標用戶，所以大規模MIMO蜂窩拓補能夠降低分區地域的總發射功率。另外，當使用多根天線時，從發射器至接收器的正確位發射概率會增大，因為

　　鏈路中斷概率~ 1 / SNR NT NR

　　其中，SNR是信噪比，NR是接收天線的數目，NT是發射天線的數目。由于此關系，當系統中的天線數目增加時，鏈路中斷概率會降低，從而提高了通信鏈路可靠性。1

　　大規模MIMO天線陣列基于這里所述的基本概念，按照理論，數百倍規模的天線部署將獲得比當前MIMO點對點部署更高的效率。具體來說，憑借數百根天線，天線孔徑和部署網格均有精細的多的分辨率。配合波束成形，能夠更加精細地控制天線波瓣，以降低通道中的能量。

　　大規模MIMO系統也有其挑戰。一個挑戰是尋找從接收器到發射器的通道狀態信息通信方法，以進行預編碼。鑒于有數百根天線，通過導頻信號來推論通道狀態在實踐中是不可行的。因此，目前實現的大規模MIMO只能實際使用依賴于通道互易的時分雙工(TDD)系統，然而要確定此方法的可行性，還需要進行更多研究。另外，一些初步研究提出，系統中的熱噪聲對于如此之多的天線來說不必過于關注，并且干擾器的影響成為更大的問題。這些挑戰以及其他挑戰，可以在開發出有效的原型之后使用實際波形來進行研究。

　　大規模MIMO系統的原型制作

　　制作大規模MIMO系統的原型需要預先進行許多工作，以便仔細、恰當地設計實際運作系統。大多數研究人員會發現，甚至制作只有2天線的最低組態MIMO收發器系統也是極具挑戰性的(參見圖1)。為設計大規模MIMO原型，首先繪制系統草圖(參見圖2)。在本練習中，基站處的天線數目N為128，從而獲得128×128 MIMO組態。組態假設M個移動用戶使用SISO天線。

　　圖1 2天線MIMO收發器

　　圖2 M用戶N天線大規模MIMO系統

　　在設計大規模MIMO系統時，需要考慮許多事項，包括發射功率、相鄰通道干擾、頻譜罩等RF系統參數。然而，大規模MIMO系統需要考慮的一個關鍵參數是每根天線的數字數據吞吐量。從圖中可知，系統最具挑戰性的一個方面是將所有接收到的樣本聚合到公共處理子系統內。與使用SISO無線電的簡單發射和接收通信不同，大規模MIMO要求發射和接收元件之間擁有高速數據吞吐，以及高基帶，并且其數量級高于目前部署的系統。

　　可以選擇在靠近天線處的節點，以分布方式處理數據流，但是為了恢復從不同用戶處收到的信號，或者有效地為不同用戶進行信號預編碼，必須將從各個天線接收到的數據流聚集在一個公共位置，以獲得最優性能。通過仔細觀察吞吐量和數據要求，我們將系統分成基本元件。這樣，我們就可以在原型的實際構建中量化數據率，并在系統設計、集成、功率和成本之間取得平衡。