5G通信技術解讀｜大規(guī)模天線陣列技術

這是最好的時代，也是最壞的時代。

生活在科技大爆發(fā)的時代里，你是否感覺到一絲慶幸? 虛擬現實、自動駕駛，無數令人血脈僨張的新型應用正在井噴式地爆發(fā)，模糊了虛擬和現實的邊界，并深刻地改變著我們觸碰和認知世界的方式。

而這，對于通信人而言卻是一場艱苦卓絕的戰(zhàn)斗。

眾說周知，無線通信依托于電磁波傳播，最寶貴的資源莫過于頻帶。為防止移動通信網、無線電視、廣播、軍用頻段等的相互干擾，每個國家都對無線頻段的使用做出了嚴格的劃分。根據電磁波在空氣中傳播的特性，6G赫茲以下頻段因其在空氣中衰減小、穿透力強等優(yōu)點，被視為優(yōu)質頻帶資源，很多依托無線電的應用都集中在這一頻段資源上，因此無比擁擠。

另一方面，用戶對移動通信網的數據需求正呈現爆發(fā)性的增長，特別是需要實時傳輸大量數據的無線應用，如視頻直播、高清電話會議、虛擬現實游戲等，對網絡容量是嚴峻的考驗。而“關鍵型任務機器通信” (mission-critical machine type communication) 又對通信的可靠性和時延提出了極為苛刻的要求，此類應用包括工業(yè)自動化、車輛通信等。1000倍于4G LTE系統的網絡容量和1毫秒極低時延已逐漸成為業(yè)界對下一代無線通信網要求的共識。

面對強烈需求，背靠緊缺資源，如何滿足科技爆發(fā)時代最底層速率的需求，為社會架起一條高速信息管道? “5G”正在給出答案。5G (Fifth Generation)，即第五代無線通信系統，是在走過模擬通信、第二代、第三代和正在經歷的第四代LTE系統之后，通信人正在攀登的另一座高峰。

一個體系的革新換代，其中必包含了無數的創(chuàng)新點，5G也是如此。筆者將與你分享其間的一項關鍵技術，大規(guī)模天線陣列。它的應用不單可以大幅度提升網絡容量和用戶體驗，也將對通信行業(yè)產成深遠的影響，1分鐘下載一部高清電影的時代已經離我們不遠了。

波束成形

理解大規(guī)模天線首先需要了解波束成形技術。傳統通信方式是基站與手機間單天線到單天線的電磁波傳播，而在波束成形技術中，基站端擁有多根天線，可以自動調節(jié)各個天線發(fā)射信號的相位，使其在手機接收點形成電磁波的疊加，從而達到提高接收信號強度的目的。

從基站方面看，這種利用數字信號處理產生的疊加效果就如同完成了基站端虛擬天線方向圖的構造，因此稱為“波束成形” (Beamforming)。通過這一技術，發(fā)射能量可以匯集到用戶所在位置，而不向其他方向擴散，并且基站可以通過監(jiān)測用戶的信號，對其進行實時跟蹤，使最佳發(fā)射方向跟隨用戶的移動，保證在任何時候手機接收點的電磁波信號都處于疊加狀態(tài)。

打個比方，傳統通信就像燈泡，照亮整個房間，而波速成形就像手電筒，光亮可以智能地匯集到目標位置上。

普通全向天線，覆蓋所有區(qū)域

波速成形后的天線，將能量集中到一個方向

在實際應用中，多天線的基站也可以同時瞄準多個用戶，構造朝向多個目標客戶的不同波束，并有效減少各個波束之間的干擾。這種多用戶的波束成形在空間上有效地分離了不同用戶間的電磁波，是大規(guī)模天線的基礎所在。

大規(guī)模天線陣列

大規(guī)模天線陣列正是基于多用戶波束成形的原理，在基站端布置幾百根天線，對幾十個目標接收機調制各自的波束，通過空間信號隔離，在同一頻率資源上同時傳輸幾十條信號。這種對空間資源的充分挖掘，可以有效利用寶貴而稀缺的頻帶資源，并且?guī)资兜靥嵘W絡容量。

大家可以從下圖中美國萊斯大學的大規(guī)模天線陣列原型機中看到由64個小天線組成的天線陣列，這很好地展示了大規(guī)模天線系統的雛形。

美國萊斯大學 Argos 大規(guī)模天線陣列原型機

大規(guī)模天線陣列為何能動搖通信底層?

大規(guī)模天線并不只是簡單地擴增天線數量，因為量變可以引起質變。依據大數定理和中心極限定理，樣本數趨向于無窮，均值趨向于期望值，而獨立隨機變量的均值分布趨向于正態(tài)分布。隨機變量趨于穩(wěn)定，這正是“大”的美。

在單天線對單天線的傳輸系統中，由于環(huán)境的復雜性，電磁波在空氣中經過多條路徑傳播后在接收點可能相位相反，互相削弱，此時信道很有可能陷于很強的衰落，影響用戶接收到的信號質量。而當基站天線數量增多時，相對于用戶的幾百根天線就擁有了幾百個信道，他們相互獨立，同時陷入衰落的概率便大大減小，這對于通信系統而言變得簡單而易于處理。

大規(guī)模天線有哪些好處?

第一，當然是大幅度提高網絡容量。

第二，因為有一堆天線同時發(fā)力，由波速成形形成的信號疊加增益將使得每根天線只需以小功率發(fā)射信號，從而避免使用昂貴的大動態(tài)范圍功率放大器，減少了硬件成本。

第三，大數定律造就的平坦衰落信道使得低延時通信成為可能。傳統通信系統為了對抗信道的深度衰落，需要使用信道編碼和交織器，將由深度衰落引起的連續(xù)突發(fā)錯誤分散到各個不同的時間段上(交織器的目的即將不同時間段的信號揉雜, 從而分散某一短時間內的連續(xù)錯誤)，而這種揉雜過程導致接收機需完整接受所有數據才能獲得信息，造成時延。在大規(guī)模天線下，得益于大數定理而產生的衰落消失，信道變得良好，對抗深度衰弱的過程可以大大簡化，因此時延也可以大幅降低。

值得一提的是，與大規(guī)模天線形成完美匹配的是5G的另一項關鍵技術--毫米波。毫米波擁有豐富的帶寬，可是衰減強烈，而大規(guī)模天線的波束成形正好補足了其短板。

相關文章：《如何實現比4G快十倍?毫米波技術是5G的關鍵》。

正在解決的瓶頸問題

首先，想要發(fā)揮所有天線的潛力，基站端需要精確的信道信息，直觀理解即需事先知道不同目標客戶的位置。如何將與用戶間的這一信道信息精準地告訴每一根天線是一件很棘手的事情。

傳統通信系統通過手機監(jiān)測基站發(fā)送的導頻 (導頻，即基站和手機端共同知曉的一段序列)，估計其信道并反饋給基站的做法在大規(guī)模天線中并不可行，因為基站天線數量眾多，手機在向基站反饋時所需消耗的上行鏈路資源過于龐大。目前，最可行的方案是基于時分雙工(TDD)的上行和下行鏈路的信道對稱性，即通過手機向基站發(fā)送導頻，在基站端監(jiān)測上行鏈路，基于信道對稱性，推斷基站到手機端的下行鏈路信息。

其次，為了獲得上行鏈路信息，手機終端需向基站發(fā)送導頻，可是導頻數量總是有限的，這樣不可避免地需要在不同小區(qū)復用，從而會導致導頻干擾。理論推導表明，導頻干擾是限制大規(guī)模天線一劍破天的最終屏障。

另外，很多大規(guī)模天線波束成形的算法基于矩陣求逆運算，其復雜度隨天線數量和其同時服務的用戶數量上升而快速增加，導致硬件不能實時完成波束成形算法?？焖倬仃嚽竽嫠惴ㄊ枪タ诉@一難題的一條途徑。

為了克服這些挑戰(zhàn)，世界頂尖的研究機構和各大設備商正加緊原型機的研發(fā)。除了上面提到的美國萊斯大學的Argos原型機外，還有三星毫米波大規(guī)模天線原型機、瑞典隆德大學LuMaMi原型機、歐洲電信研究院(Eurecom)Open Air Interface大規(guī)模天線原型機、英國布里斯托大學原型機等。

筆者有幸成為挑戰(zhàn)這一科技難題的一員，參與搭建了Open Air Interface 64天線模型機。下圖是其微縮版本(微縮為16根天線)，旨在展示我們對相關技術瓶頸的解決方案，在上個月的歐洲網絡與通信研究大會上收到了良好反響。