智能手機和平板電腦的激增所帶來的日益增長的遠程通信流量超過了無線通信網絡容量的增長。此外，它還導致二氧化碳排放量大幅增加。
作為一種強有力的對策，在信道矩陣滿秩的情況下，MIMO技術有可能在適當增加天線數量的情況下線性增加容量或減少發射功率。在5G和后續演進的無線通信技術中，MIMO將進一步發展。
本文針對MIMO的主要應用場景做簡要介紹。
應用場景的定義是研究的一個重要步驟，可為關鍵技術的開發提供指導。如下表所示，所有這些不同網絡部署下的場景大致可以分為兩種類型，即Case 1 ：只有宏站部署的同構網絡（HomoNet）和Case2：具有宏站和小站的異構網絡（HetNet）。
典型應用場景
下面我們分別來看看同構網絡場景和異構網絡場景。
同構網絡場景
1．Multi－Layer分區
隨著城市環境中終端數量和承載的遠程業務的增加，需要增加系統容量以滿足客戶需求。
傳統上，功能分區技術用于向不斷增長的人口提供服務，它只是將一個單元劃分為多個扇區，從而增加網絡容量。通過允許一個eNB服務三個120°扇區或六個60°扇區，也可以降低設備成本。然而，盡管扇區化能夠改善區域帶寬效率（BE），但這種好處是由于以犧牲非理想扇區－天線模式而可能增加扇區之間的干擾為代價的。因此，需要更有效的技術來進一步提高可實現的網絡容量。
如圖1所示，通過水平進行高選擇性角波束形成，可以實現大規模MIMO系統的精確扇形，可以減少扇形之間的干擾。此外，通過調整三維波束形成的仰角，可以改變各波束的覆蓋范圍。這樣，傳統的固定扇區可以進一步劃分為內扇區和外扇區，每個扇區都可以由水平方向相同但仰角不同的三維波束賦形（BF）服務。相同頻率的無線電資源被所有扇區重用，這能夠顯著增加服務的終端數量和／或提高網絡吞吐量。
圖1 Multi－Layer分區示意圖
2．自適應波束賦形
固定BF之所以被稱為固定BF，是因為天線陣列（AA）中每個元素的信號相乘的權重在操作過程中保持不變。相反，自適應BF的權值會根據接收到的信號不斷更新，以抑制空間干擾，如圖2所示。這個過程可以在時域（TD）或頻域（FD）中進行。與二維（2D）自適應BF相比，三維（3D）BF在空間域的無線電資源復用方面具有更大的靈活性。
圖2 自適應波束賦形示意圖
3．大規模協作
現有的大多數關于大規模MIMO的研究都顯示了在一個單一基站上安裝大量天線的共存部署方案的不同好處。然而，這種協同部署對其硬件設計和現場部署都帶來了挑戰。另一方面，與空間分離天線相關的分布式天線系統（DAS）已被設想為使用適當數量的天線來提高室內覆蓋。最近的研究表明，DAS除了改善其覆蓋范圍外，還能夠顯著增加網絡的BE，即使在存在小區間干擾（ICI）。這促使研究人員識別如圖3所示的特定場景，其中大規模MIMO與分布式架構相關聯的系統優于依賴于共位置部署的系統。
圖3 大規模協作示意圖
分布式大規模MIMO的優勢是可信的，因為從分布式天線到達每個UE的信號受獨立的大規模隨機衰落水平的影響，從而導致其潛在的容量增益超過其對應的值。然而，通過協調小區內干擾來實現這些增益可能是一個挑戰，特別是在小區內有幾十個甚至數百個射頻拉遠單元（RRU）的情況下。雖然充分協作是消除小區內干擾的一種有效方法，但由于它高度依賴于完全信道狀態信息（CSI）共享，因此不具有實用性。為了在達到的性能和施加的開銷之間達成優雅的平衡，在這種情況下，高效的大規模協作方案是非常重要的。
此外，分布式大規模MIMO和小型單元部署可能被視為互補而不是競爭。例如一些文獻提出的由DAS和皮站蜂窩－宏站蜂窩底層系統組成的協同蜂窩體系結構，該體系結構可以擴展到與分布式大規模MIMO協同工作。
異構網絡場景
1．無線回傳
在能耗和面積帶寬效率方面，具有密集small cell的HetNet被認為是一種很有前途的設計結構。它通常由多種類型的無線接入節點組成，例如，一個macroc －cell eNB （MeNB）和多個small－cell eNB （SeNB），如pico， femto和中繼eNB。所有senb需要通過有線或無線回程連接到他們的捐贈menb。一般來說，無線回程比有線回程更可取，因為易于部署。在這種情況下，在HetNet中，MeNB上使用了一個巨大的MIMO，它有很高的自由度支持多種無線回傳。
如圖4所示，相同的頻譜可以在無線回程、宏蜂窩終端（MUE）和小蜂窩終端（SUE）的訪問中重復使用。換句話說，SeNB可以被視為一種通過無線回程與MeNB通信的特殊終端。由于eNB的位置通常是固定的，無線回程的信道可能是準靜態時變的。因此，MeNB能夠通過預編碼的方式消除無線回程與MUE之間的干擾。
圖4 無線回傳圖示
2．熱點覆蓋
統計數據顯示，大部分的遠程通信來源于建筑物，如超市、辦公樓、體育館等。因此， 對于HetNet來說，高質量的建筑的室內覆蓋被認為是最關鍵的場景之一。由于遠程通信是在建筑物的不同高度產生的，傳統的采用固定Downlink （DL）傾斜的AA，主要用于UE在街道層面漫游，不再適合這種場景。大型AA能夠動態調整波束的方位角和俯仰角。它可以將光束直接傳輸到建筑物不同樓層的終端，從而顯著提高系統吞吐量。然而，當建筑的室內覆蓋由MeNB提供一個巨大的AA，可調節范圍俯仰角比SeNB小，角度分辨率不能滿足UE的需求，如圖5所示。眾所周知，SeNB和SUE之間的近距離可以減少路徑損失。因此，配備大規模AA的SeNB更適合內置覆蓋率，前提是部署成本是可接受的。
圖5 熱點覆蓋示意圖
3．動態小區
由于在HetNet中，從MeNB收集到的參考信號接收功率（Reference Signal Received Power， RSRP）通常要高于從SeNB收集到的RSRP，因此可能會有更多的終端連接到MeNB，導致大cell和小cell之間潛在的流量分布不平衡。小區范圍擴展（CRE）技術可用于將通信量從宏小區轉移到小小區。然而，由于受到MeNB的強干擾，在擴展范圍內的UE以某種方式被迫接觸到小的cell，可能會經歷低SINR。這可能會導致他們之間不可靠的通信SeNB。為了解決這一問題，可以采用幾乎空白子幀（ABS）技術，通過時域協調來減少MeNB的干擾。也就是說，服務質量（QoS）的性能以犧牲多路復用增益為代價提高了擴展范圍內的多路等效系數。
通過在seNB中引入大量的原子吸收信號，發射信號的下傾角可調，獲得了較好的接收質量。如圖6所示，它有助于自適應地擴大或縮小cell的半徑，即Dynamic cell。因此，位于小cell邊緣的UE可以根據其接收功率等級選擇自適應連接到SeNB。它適用于擴展范圍內的宏小區和小小區之間的流量平衡。
圖6 動態小區示意圖
總結
本文將大規模MIMO的典型應用場景分為兩類，即具有大規模MIMO的同構網絡和異構網絡。前者僅采用宏站部署，包括多層分區、自適應波束形成和大規模協作。多層扇區能夠通過分割扇區來增加復用增益。自適應波束形成利用極窄的波束將輻射能量聚焦到期望方向，能夠提高終端的期望信噪比，同時減少對其他終端的干擾。與傳統的DAS技術相比，大規模協作通過擴大協調的分布式天線數量，能夠進一步提高覆蓋范圍和可實現吞吐量。
在具有大量MIMO的HomoNet的情況下，有三種典型的應用場景。首先，在MeNB和SeNB之間采用大規模MIMO的無線回程比有線回程更靈活，成本更低。然后，具有巨大AA的SeNB能夠自適應調整方位角和仰角，以提高室內熱點（如建筑物）的覆蓋率。此外，HetNet中的小區半徑是動態可調的，可以通過改變仰角來平衡MeNB和SeNB之間的負載。
基于以上討論，大規模MIMO有望應用于多種場景，以提高可達容量和吞吐量。然而，在實際的網絡部署中，仍然需要大量的研究。
