人類對高速移動數據的渴求是無止境的。可是，在城市環境中可用RF頻譜已經飽和，顯然需要提高基站收發數據的頻譜利用率。

你可能聽到過Massive MIMO被描述為大量天線的波束賦形。随之而來的問題是：何謂波束賦形？

不同的人對于波束賦形這個詞有着不同的理解。波束賦形是指根據特定場景自适應的調整天線陣列的輻射圖。在蜂窩通信中，許多人認為波束賦形是将天線功率主瓣指向用戶，如圖1所示。

調整各天線收發單元幅度和相位，使得天線陣列在特定方向上的發射/接收信号相幹疊加，而其他方向的信号則相互抵消。一般不考慮陣列和用戶所處的空間環境。這是波束賦形，不過隻是它的一種特别實現。

Massive MIMO也認為在實際系統中，天線與用戶終端—以及相反過程—之間傳輸的數據經過了周圍環境的濾波。信号可能會被建築物和其他障礙物反射，這些反射會有相關的延遲、衰減和抵達方向，如圖2所示。天線與用戶終端之間甚至可能沒有直接路徑。人們發現，這些非直接傳輸路徑同樣有利用價值。

為了利用多路徑，天線元件和用戶終端之間的空間信道需要加以表征。文獻中一般将這種響應稱為信道狀态信息(CSI)。此CSI實質上是各天線與各用戶終端之間的空間傳遞函數的集合。用一個矩陣(H)來收集此空間信息，如圖3所示。CSI用于數字化編碼和解碼天線陣列所收發的數據。

不妨考慮一個有趣的類比：一個氣球在某個位置被戳破了，發出“啪”的一聲，在另一個位置記錄此聲音或脈沖，如圖4所示。

如果擴大該類比以模拟天線陣列/用戶終端場景，那麼需要更多氣球，如圖5所示。注意，為了表征各氣球與麥克風之間的信道，我們需要在不同時間戳破各氣球，使得麥克風記錄的不同氣球的反射不會重疊。

另一方向也需要表征，如圖6所示。本例中，可以在用戶終端位置的氣球戳破時同時完成所有錄音。這樣所花的時間要少得多！

互易性假設意味着隻需要在一個方向上表征信道即可，上行鍊路信道是顯而易見的選擇，因為隻需要将一個導頻信号從用戶終端發送，并由所有天線元件接收。信道估計的複雜度與用戶終端數成比例，而非與陣列中的天線數成正比。這點非常重要，因為用戶終端可能在移動，故信道估計需要頻繁進行。

現在，收集CSI的概念既已建立，那麼如何将此信息應用于數據信号以支持空間複用呢？濾波基于CSI而設計，以對天線陣列傳輸的數據進行預編碼，使得多路徑信号會在用戶終端位置相幹疊加。這種濾波還可以用來線性組合天線陣列RF路徑收到的數據，從而檢測來自不同用戶的數據流。

對于上述三種線性方法，圖8和圖9分别顯示了上行和下行鍊路中信号處理的工作方式。針對預編碼，可能還有某種縮放矩陣，用以歸一化陣列上為簡單起見而忽略的功率。

迫零預編碼試圖解決用戶間幹擾問題，通過設計優化标準來使其最小。檢測/預編碼矩陣是CSI矩陣的僞逆。僞逆的計算開銷高于MR情況中的複共轭。然而，由于太注重降低幹擾，用戶的接收功率會受影響。

MMSE試圖在放大信号與降低幹擾之間取得平衡。這種整體觀需付出的代價是信号處理複雜度較高。MMSE方法給優化引入了一個正則項—在圖8和圖9中表示為ß—利用它可以找到噪聲協方差與發射功率的平衡點。此方法在文獻中有時也被稱為正則化迫零(RZF)。

以上并未囊括所有預編碼/檢測技術，隻是簡單介紹了主要線性方法。這些方法可提供最優容量，但實現起來非常複雜。上述線性方法對massive MIMO而言一般是足夠的，天線數目可以很大。預編碼/檢測技術的選擇取決于計算資源、天線數目、用戶數目和系統所處環境的多樣性。對于天線數目遠大于用戶數目的大天線陣列，最大比率方法可能足以滿足需要。

上文讨論了利用系統的互易性來大幅削減信道估計和信号處理開銷。圖10顯示了一個實際系統中的下行鍊路信道。它分為三個部分：空中信道(H)、基站發射RF路徑的硬件響應(TBS)和用戶接收RF路徑的硬件響應(RUE)。上行鍊路與此相反，RBS表征基站接收硬件RF路徑，TUE表征用戶發射硬件RF路徑。互易性假設雖然對空中接口成立，但對硬件路徑不成立。由于迹線不匹配、RF路徑間同步不佳和溫度相關的相位漂移，RF信号鍊會給系統帶來誤差。

對RF路徑中的所有LO（本振）PLL使用同一同步參考時鐘，并對基帶數字JESD204B信号使用同步SYSREF，有助于解決RF路徑間的延遲問題。但在系統啟動時，RF路徑之間仍會有通道間的相位失配，由溫度引起的相位漂移會進一步擴大此問題。因此很顯然，系統在啟動時需要初始化校準，此後運行中需要周期性校準。通過校準可實現互易性優勢，使信号處理複雜度維持在基站，并且隻需要表征上行鍊路信道。這樣可獲得一般意義上的簡化，從而僅需要考慮基站RF路徑（TBS和RBS）。

有多種方法可校準這些系統：

為了全面校準系統，從一個指定校準發射信道發送一個信号，所有RF接收路徑通過無源耦合連接接收該信号。然後，每個發射RF路徑依次發送一個信号，該信号在各天線的耦合點被接收，被傳回到一個合路器，再被送至指定校準接收路徑。溫度相關效應的變化一般很慢，故與信道特性不同，無需頻繁執行溫度相關校準。

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