大规模天线技术：构建未来移动通信系统的基石

面对多种多样的新兴业务形态以及终端连接数和数据流量规模的爆炸式发展，未来移动通信系统对于无线传输链路的容量和质量有着近乎无止境的需求。为了应对系统需求的巨大压力，无线信道资源的拓展及对其进行充分利用成为传输链路设计中最为核心的两个问题。而新一代移动通信系统的研究与标准化工作也始终在围绕着“开源”和“节流”这两条主线进行推进。随着6千兆赫以下频段资源的日益紧张，5G（即IMT-2020）系统将进一步将频段资源扩展至高达100千兆赫的频带。同时，5G系统也将通过新型的多址、编码调制、更为密集的组网以及大规模天线等技术手段，更为有效地提升对频带资源的利用效率。

鉴于多输入多输出（MIMO）技术在改善信道资源的利用效率以及提升传输质量方面的巨大优势，这一技术在第4代移动通信系统中得到了非常广泛的应用。例如，长期演进（LTE）系统的整个物理层构架都是建立在MIMO+正交频分复用（OFDM）基础之上的。LTE系统中，根据多种应用场景，分别设立了几种传输模式。而每种传输模式又都采用了以一种主要的MIMO传输方案为基础、以一种高可靠性MIMO传输方案为辅助的设计方式。其中，发射分集、闭环及开环空分复用、多用户MIMO、波束赋形技术等主要的MIMO技术方案，都已经得到了标准化。

MIMO技术的性能增益都来自于多天线所引入的空间自由度，因此从多到更多，或者说MIMO的维度扩展，一直是MIMO技术演进的一个重要方向。具体来讲，其演进体现在：能够支持的并行传输数据流数量的增长；从单用户传输优化到多用户传输优化的转换；从单小区MIMO到网络化、协作化MIMO技术的扩展。

面对数据业务量与用户数的激增，以及信道资源的日益紧张，对MIMO维度的持续扩展，是无线通信系统发展的现实需求，也是标准化演进过程的一个重要方向。从理论角度出发，对MIMO维度的扩展，也有着坚实的理论依据，而这一基础正是近年来出现的大规模天线理论。根据这一理论，随着天线数量的无限增长，各个用户的信道向量将逐渐趋于正交，从而使多用户干扰趋于消失。同时，在巨大的天线增益下，加性噪声的影响也将变得可以忽略。因此，系统的发射功率可以任意低，而大量的用户可以在近乎没有干扰和噪声的理想条件下进行通信，从而极大地提升了系统容量和频带利用效率。

这一技术理论的合理性在波束域可以得到更为直观的解释：随着天线数量的增加，通过波束赋形技术可以形成更为窄细、指向性更强、更为准确且增益更高的波束。在这种情况下，针对多个用户的发射波束之间的交叠，或者说用户间的干扰将逐渐趋于消失，而加性噪声相对于巨大的波束增益也将变得可以忽略。

大规模天线理论为我们展示了MIMO技术在进一步提升系统容量、频带利用率与用户体验方面的巨大潜力。因此，这一理论出现之后，立即受到了学术界与产业界的热烈追捧，并被公认为未来移动通信系统中最有潜力的物理层技术之一。近几年来，经过学术界与产业界的共同努力，目前已经对大规模天线信道容量、能效与谱效优化、传输与检测算法等方面进行了较为充分的研究，同时也从信道建模和评估等基础性工作方面对后续的研究和推进进行了大量准备。而针对这一技术的技术验证与原型平台开发工作也在积极地进行中。在上述工作基础之上，产业界对相关技术的标准化发展也给出了明确的推进计划，并已经在LTE系统中完成了初步版本的大规模天线技术标准化方案。在面向下一代系统的标准化研究中，仍然将大规模天线技术的推动作为非常重要的工作方向，并正在热烈地开展针对这一技术的研究、评估和讨论。

大规模天线技术理论为我们描绘了MIMO技术的美好发展前景，然而在从理论到实践的过程中，天线结构首先成为阻挡MIMO维度进一步扩展的一大限制因素。现有的移动通信系统普遍采用了被动式天线结构。在这种结构中，每个天线端口都需要一根独立的射频线缆与之相连。当需要独立控制的天线端口数逐渐增加时，大量的射频线缆将给工程实现与后续运营维护带来不可想象的障碍。除此之外，现有天线系统一般只能支持在水平维为每个用户独立调整波束，但是在垂直维只能针对扇区覆盖需求统一设定波束形态。因此，基于这种阵列的MIMO传输又被称为二维-MIMO（2D-MIMO）。

针对上述问题，可将射频（及部分基带功能）和传统的被动式天线阵列结合在一起，构成所谓的有源天线技术。利用这一技术，可用光纤和直流电缆代替天线与其他设备之间的大量射频线缆连接，从而极大地简化了施工和运维的难度。除此之外，有源天线技术的引入为基带的集中化与云化处理创造了条件。更为重要的是，二维平面阵列中，大量可控的天线端口的出现，为系统在三维空间中更为灵活地调整波束创造了可能。

有源天线技术在商业领域的应用，使MIMO的大规模化与三维化发展具备了可实现性基础。但是在大规模天线技术迈向实用化和产业化的过程中，仍然面临着许多现实问题。例如，随着天线规模的增大、用户数量的增加与带宽的提升，在MIMO的传输、检测、调度等过程中，经常需要对大量高维度的矩阵进行运算，其系统复杂度显著升高。这一问题在高频段系统中显得尤为突出。此外，在系统设计的诸多方面，如参考信号、反馈机制、控制信令、广播/公共信号覆盖、接入与切换等，都需要考虑天线规模增大所带来的开销、复杂度与性能的平衡问题。针对上述问题，第三代合作护板计划（3GPP）从Rel-13开始就已经进行了大量的研究和标准化工作。

随着移动通信技术的发展，系统需求更为严苛，在进一步提升频带利用效率的基础之上，扩展可用频谱也将成为系统发展的必然方向。目前，3GPP已经考虑将系统频段扩展至6～100千兆赫，在这样的频率范围中，还有大量连续的空闲频段可以利用。信道资源的极大丰富并不意味着以信道资源利用率为优势的MIMO技术的重要性有所降低。恰恰相反的是，这种情况下，MIMO技术将发挥其独有的且更为重要的作用。

在高频段系统中，无线信号的传播表现出与低频段显著不同的特性。例如，在低频段占主导的衍射效应在高频段变得极为不明显，信号的传播极易受到人体和汽车等小型障碍物的阻挡，进而发生中断。在某些频段，高频信号的传播损耗甚至会受到氧气和水分子密度的影响，产生深幅度衰落。为了保证无线信号传输的稳定性，在系统设计时，需要充分地考虑各种衰落和干扰等非理想因素带来的影响，并在规划链路预算时为之留有余量。一般而言，提升发射功率是保证链路余量的有效手段之一。但是在高频段，由于器件成本的显著增加，提升发射功率是一种非常不经济的选择。这种情况下，完全可以利用大规模天线阵列，形成高指向性、高增益的波束，来克服信号传输中的诸多非理想因素，以保证覆盖距离和传输质量。因此，大规模天线对于高频段通信技术的应用与推广具有重大意义。

我国政府对于大规模天线技术的研究和推进工作非常重视，陆续设立了多项863相关计划和国家科技重大专项课题来支持相关工作的展开。在2013年成立的IMT-2020推进组中，专门设立了大规模天线技术专题组，负责组织企业和科研院所进行大规模天线关键技术研究、系统方案设计和推进工作。在上述研究工作基础之上，工信部制定了我国的5G技术研发与试验工作总体计划，进一步将大规模天线技术等IMT-2020系统的重要支撑技术推向实用化发展道路。目前，大唐电信集团5G基站验证系统已经设计开发了业界规模最大的有源天线阵列，能够在3.5千兆赫频段的100兆赫带宽上，支持128个数字通道/ 256天线阵子，并能够提供最多20个数据流的并行传输，其频谱效率能够达到4G LTE系统的7～8倍以上。

综上所述，MIMO是提升无线通信系统的频带利用效率和传输可靠性的一种重要技术手段。这一技术已经在现有系统中得到了非常广泛的应用，而且MIMO技术仍然在沿着维度进一步扩展的方向持续演进。大规模天线理论的出现以及有源天线技术在移动通信领域的实用化发展为MIMO维度的进一步提升奠定了坚实的理论与实现基础，为MIMO技术的大规模化与三维化创造了条件。随着系统频段资源的拓展，在高频段通信系统中，MIMO技术仍将继续发挥其不可替代的基础性作用，成为构建未来移动通信系统的一块重要基石。

致谢：感谢国家863计划项目课题“高效能5G无线传输关键技术研发” （课题编号：2014AA01A705）的支持。

研究团队简介

孙韶辉：大唐电信集团首席专家。

苏昕：大唐无线移动创新中心技术专家。

李立华：北京邮电大学教授。

备注：孙韶辉、苏昕均隶属于大唐电信无线移动通信国家重点实验室。

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