U evolucijskoj povijesti mobilnih komunikacijskih tehnologija, svaka generacija tehnološke iteracije bila je popraćena značajnim poboljšanjima mrežnih performansi, a pojava 5G tehnologije čak je donijela subverzivne promjene. 5G mreže imaju za cilj zadovoljiti različite potrebe kao što su ultra-visoke brzine prijenosa podataka, ultra-niska latencija i masovne veze uređaja. Postizanje ovih ciljeva oslanja se na niz ključnih tehnologija, među kojima tehnologija Massive MIMO (Massive Multiple-Input Multiple-Output) igra ključnu ulogu u nadogradnji radiofrekvencijskih antena baznih stanica 5G, preoblikujući pokrivenost komunikacijske mreže na način bez presedana.
U tradicionalnim komunikacijskim mrežama, antene baznih stanica obično usvajaju tehnologije s jednim ulazom i jednim izlazom (SISO) ili s više ulaza i s više izlaza (MIMO). SISO sustavi koriste samo jednu odašiljačku antenu i jednu prijemnu antenu, s ograničenim kapacitetom prijenosa podataka, što otežava zadovoljenje rastućih komunikacijskih potreba. Uzmimo ranu 2G mrežu kao primjer. Pod SISO tehnologijom, brzina mrežnog prijenosa podataka može doseći samo desetke kbps, što ne može podržati brzi prijenos podataka velikog kapaciteta kao što su slike i video zapisi visoke razlučivosti. MIMO tehnologija, s druge strane, opremanjem više antena i na baznoj stanici i na terminalu, te korištenjem tehnologija prostornog multipleksiranja i raznolikosti, značajno poboljšava kapacitet i pouzdanost sustava bez povećanja resursa spektra. Na primjer, u 4G mrežama, uobičajene tehnologije 2×2 MIMO ili 4×4 MIMO povećale su brzinu mrežnog prijenosa podataka na razinu od sto megabita, uvelike poboljšavajući online iskustvo korisnika. Međutim, s brzim razvojem mobilnog interneta, potražnja korisnika za podatkovnim prometom eksponencijalno je porasla, a izvedba tradicionalne MIMO tehnologije postupno se približila uskom grlu, nesposobna zadovoljiti stroge zahtjeve 5G mreža. Statistike pokazuju da u scenarijima kao što su prostori za događaje velikih razmjera ili gusto naseljena urbana područja, 4G mreže često pate od zagušenja i smanjene brzine, što otežava podržavanje velikog broja korisnika da se istovremeno angažiraju u aplikacijama sa zahtjevima visoke propusnosti kao što je reprodukcija videa visoke razlučivosti i online igrice.
Kao daljnji razvoj MIMO tehnologije, Massive MIMO tehnologija značajno je povećala broj antena baznih stanica, proširivši se s nekoliko ili desetaka antena u tradicionalnom MIMO-u na stotine ili čak tisuće antena. Ovo značajno povećanje broja antena donosi višestruke tehničke prednosti, čime se preoblikuje pokrivenost komunikacijskih mreža. U načelu, Massive MIMO koristi prostornu neovisnost kanala. Opremanjem velikog broja antena na baznoj stanici, može komunicirati s više korisnika istovremeno, postižući prostorno dimenzijsko multipleksiranje. U tradicionalnim komunikacijskim sustavima, zbog ograničenog broja antena, podaci se mogu prenositi samo nekoliko korisnika u isto vrijeme. Međutim, masivni MIMO sustavi, povećanjem broja antena, mogu podržati više korisnika na istim vremensko-frekvencijskim resursima, uvelike poboljšavajući kapacitet sustava i učinkovitost spektra. Teorijske studije su pokazale da kada broj antena baznih stanica ima tendenciju da bude beskonačan, učinkovitost spektra i energetska učinkovitost Massive MIMO sustava bit će znatno poboljšani.
Što se tiče pokrivenosti mreže, tehnologija Massive MIMO značajno je poboljšala raspon pokrivenosti i kvalitetu signala kroz tehnologiju oblikovanja snopa. Oblikovanje snopa odnosi se na ponderiranje signala koje emitiraju antene bazne stanice prema informacijama o stanju kanala, tako da se energija signala koncentrira u određenom smjeru kako bi se formirao snop. U Massive MIMO sustavima, zahvaljujući velikom broju antena, može se postići preciznija kontrola snopa, čime se energija signala može precizno usmjeriti prema ciljanim korisnicima, smanjiti gubitak signala u drugim smjerovima, a time i poboljšati domet pokrivenosti i jačinu signala. Osobito u složenim urbanim okruženjima, gdje zgrade blokiraju i reflektiraju signale, što dovodi do blijeđenja signala i smetnji, tehnologija oblikovanja snopa Massive MIMO može učinkovito prevladati ove probleme, osiguravajući da korisnici mogu dobiti stabilne i brze komunikacijske usluge u različitim scenarijima.
Osim toga, tehnologija Massive MIMO također može poboljšati pouzdanost komunikacijskih sustava kroz tehnologiju raznolikosti. Tehnologija raznolikosti odnosi se na prijenos istih informacija kroz više nezavisnih kanala kako bi se smanjio utjecaj slabljenja kanala na prijenos signala. U masivnim MIMO sustavima, zbog velikog broja antena, različite metode raznolikosti kao što su prostorna raznolikost, vremenska raznolikost i frekvencijska raznolikost mogu se koristiti za poboljšanje pouzdanosti prijenosa signala. Kada je određeni kanal zahvaćen fedingom ili smetnjama, drugi kanali i dalje mogu normalno prenositi signale, čime se osigurava kontinuitet i stabilnost komunikacije. Ova visoka pouzdanost posebno je važna za 5G aplikacije s visokim zahtjevima za kvalitetu komunikacije, kao što su autonomna vožnja i telemedicina. U scenariju autonomne vožnje, vozila trebaju komunicirati s oblakom i okolnim vozilima u stvarnom vremenu s velikom količinom podataka, što ima iznimno visoke zahtjeve na pouzdanost mreže i nisku latenciju. Masivna MIMO tehnologija može učinkovito smanjiti stopu pogreške u bitovima tijekom prijenosa signala kroz tehnologiju raznolikosti, osigurati točan i pravovremen prijenos naredbi za upravljanje vozilom i jamčiti sigurnost vožnje. U telemedicini, kada liječnici provode daljinsku dijagnozu i kirurške operacije na pacijentima putem videa visoke razlučivosti, stabilna i pouzdana mreža koju pruža Massive MIMO tehnologija može osigurati nesmetan prijenos video slika, izbjegavajući dijagnostičke pogreške ili kirurške rizike uzrokovane mrežnim problemima.
Iz perspektive stvarne implementacije, primjena Massive MIMO tehnologije u nadogradnji radiofrekvencijskih antena baznih stanica 5G također se suočava s mnogim izazovima. Prvo, korištenje velikog broja antena povećat će troškove hardvera i potrošnju energije bazne stanice. Svaka antena mora biti opremljena odgovarajućom radiofrekvencijskom front-end opremom, uključujući pojačala snage, niskošumna pojačala, filtre, itd. S povećanjem broja antena, broj ovih uređaja također će se značajno povećati, što će dovesti do značajnog povećanja troškova opreme baznih stanica. Istodobno, rad velikog broja antena će trošiti više električne energije, povećavajući operativne troškove operatera. Drugo, zbog velikog broja antena, okruženje kanala je složenije, što otežava točnu procjenu informacija o stanju kanala, što zahtijeva naprednije algoritme i tehnologije. Osim toga, obrada signala koje šalje i prima veliki broj antena zahtijeva veliku računalnu snagu, što postavlja veće zahtjeve na jedinicu za obradu signala bazne stanice.
Kako bi odgovorili na te izazove, istraživači i komunikacijska poduzeća uložili su velike napore u tehnološko istraživanje i razvoj te optimizaciju opreme. Što se tiče hardvera, kroz usvajanje novih materijala i integracijskih tehnologija, troškovi i potrošnja energije antena i radiofrekvencijske prednje opreme kontinuirano se smanjuju. Na primjer, korištenje frekvencijskog pojasa milimetarskih valova za komunikaciju, koji ima bogate resurse spektra i može zadovoljiti potrebe 5G mreža za brzi prijenos podataka. Istodobno, antene milimetarskih valova male su veličine, što je pogodno za integraciju velikog broja antena na baznu stanicu. Trenutačno su neki proizvođači razvili masivne MIMO antenske nizove temeljene na milimetarskim valovima, koji učinkovito smanjuju volumen i cijenu uređaja zahvaljujući visoko integriranom dizajnu. Što se tiče obrade signala, algoritmi za procjenu kanala i detekciju signala kontinuirano se proučavaju i poboljšavaju kako bi se poboljšala točnost i učinkovitost algoritama. Na primjer, korištenje tehnologija umjetne inteligencije kao što je duboko učenje za predviđanje i procjenu informacija o stanju kanala, poboljšavajući točnost i brzinu procjene kanala.
Uz kontinuirani razvoj i zrelost tehnologije, primjena Massive MIMO tehnologije u 5G mrežama postat će opsežnija i dublja. U budućnosti, Massive MIMO tehnologija neće se primjenjivati samo na makro baznim stanicama, već će se također promovirati u malim baznim stanicama kao što su mikro bazne stanice i piko bazne stanice, dodatno optimizirajući mrežnu pokrivenost i kapacitet. Istodobno, Massive MIMO tehnologija također će se kombinirati s drugim ključnim tehnologijama 5G, kao što su komunikacija milimetarskih valova i mrežno rezanje, kako bi se korisnicima pružile bolje i raznovrsnije komunikacijske usluge. U istraživanju 6G tehnologije, Massive MIMO tehnologija nastavit će igrati važnu ulogu, krećući se prema višim ciljevima performansi i postavljajući čvrste temelje za razvoj budućih komunikacijskih mreža.
