5G通信技术解读｜大规模天线阵列技术

 

这是最好的时代，也是最坏的时代。

生活在科技大爆发的时代里，你是否感觉到一丝庆幸? 虚拟现实、自动驾驶，无数令人血脉偾张的新型应用正在井喷式地爆发，模糊了虚拟和现实的边界，并深刻地改变着我们触碰和认知世界的方式。

而这，对于通信人而言却是一场艰苦卓绝的战斗。

众说周知，无线通信依托于电磁波传播，最宝贵的资源莫过于频带。为防止移动通信网、无线电视、广播、军用频段等的相互干扰，每个国家都对无线频段的使用做出了严格的划分。根据电磁波在空气中传播的特性，6G赫兹以下频段因其在空气中衰减小、穿透力强等优点，被视为优质频带资源，很多依托无线电的应用都集中在这一频段资源上，因此无比拥挤。

另一方面，用户对移动通信网的数据需求正呈现爆发性的增长，特别是需要实时传输大量数据的无线应用，如视频直播、高清电话会议、虚拟现实游戏等，对网络容量是严峻的考验。而“关键型任务机器通信” (mission-critical machine type communication) 又对通信的可靠性和时延提出了极为苛刻的要求，此类应用包括工业自动化、车辆通信等。1000倍于4G LTE系统的网络容量和1毫秒极低时延已逐渐成为业界对下一代无线通信网要求的共识。

面对强烈需求，背靠紧缺资源，如何满足科技爆发时代最底层速率的需求，为社会架起一条高速信息管道? “5G”正在给出答案。5G (Fifth Generation)，即第五代无线通信系统，是在走过模拟通信、第二代、第三代和正在经历的第四代LTE系统之后，通信人正在攀登的另一座高峰。

一个体系的革新换代，其中必包含了无数的创新点，5G也是如此。笔者将与你分享其间的一项关键技术，大规模天线阵列。它的应用不单可以大幅度提升网络容量和用户体验，也将对通信行业产成深远的影响，1分钟下载一部高清电影的时代已经离我们不远了。

波束成形

理解大规模天线首先需要了解波束成形技术。传统通信方式是基站与手机间单天线到单天线的电磁波传播，而在波束成形技术中，基站端拥有多根天线，可以自动调节各个天线发射信号的相位，使其在手机接收点形成电磁波的叠加，从而达到提高接收信号强度的目的。

从基站方面看，这种利用数字信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线方向图的构造，因此称为“波束成形” (Beamforming)。通过这一技术，发射能量可以汇集到用户所在位置，而不向其他方向扩散，并且基站可以通过监测用户的信号，对其进行实时跟踪，使最佳发射方向跟随用户的移动，保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。

打个比方，传统通信就像灯泡，照亮整个房间，而波速成形就像手电筒，光亮可以智能地汇集到目标位置上。

 

 

普通全向天线，覆盖所有区域

 

 

波速成形后的天线，将能量集中到一个方向

在实际应用中，多天线的基站也可以同时瞄准多个用户，构造朝向多个目标客户的不同波束，并有效减少各个波束之间的干扰。这种多用户的波束成形在空间上有效地分离了不同用户间的电磁波，是大规模天线的基础所在。

 

 

大规模天线阵列

大规模天线阵列正是基于多用户波束成形的原理，在基站端布置几百根天线，对几十个目标接收机调制各自的波束，通过空间信号隔离，在同一频率资源上同时传输几十条信号。这种对空间资源的充分挖掘，可以有效利用宝贵而稀缺的频带资源，并且几十倍地提升网络容量。

大家可以从下图中美国莱斯大学的大规模天线阵列原型机中看到由64个小天线组成的天线阵列，这很好地展示了大规模天线系统的雏形。

 

 

美国莱斯大学 Argos 大规模天线阵列原型机

大规模天线阵列为何能动摇通信底层?

大规模天线并不只是简单地扩增天线数量，因为量变可以引起质变。依据大数定理和中心极限定理，样本数趋向于无穷，均值趋向于期望值，而独立随机变量的均值分布趋向于正态分布。随机变量趋于稳定，这正是“大”的美。

在单天线对单天线的传输系统中，由于环境的复杂性，电磁波在空气中经过多条路径传播后在接收点可能相位相反，互相削弱，此时信道很有可能陷于很强的衰落，影响用户接收到的信号质量。而当基站天线数量增多时，相对于用户的几百根天线就拥有了几百个信道，他们相互独立，同时陷入衰落的概率便大大减小，这对于通信系统而言变得简单而易于处理。

大规模天线有哪些好处?

第一，当然是大幅度提高网络容量。

第二，因为有一堆天线同时发力，由波速成形形成的信号叠加增益将使得每根天线只需以小功率发射信号，从而避免使用昂贵的大动态范围功率放大器，减少了硬件成本。

第三，大数定律造就的平坦衰落信道使得低延时通信成为可能。传统通信系统为了对抗信道的深度衰落，需要使用信道编码和交织器，将由深度衰落引起的连续突发错误分散到各个不同的时间段上(交织器的目的即将不同时间段的信号揉杂, 从而分散某一短时间内的连续错误)，而这种揉杂过程导致接收机需完整接受所有数据才能获得信息，造成时延。在大规模天线下，得益于大数定理而产生的衰落消失，信道变得良好，对抗深度衰弱的过程可以大大简化，因此时延也可以大幅降低。

值得一提的是，与大规模天线形成完美匹配的是5G的另一项关键技术--毫米波。毫米波拥有丰富的带宽，可是衰减强烈，而大规模天线的波束成形正好补足了其短板。

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正在解决的瓶颈问题

首先，想要发挥所有天线的潜力，基站端需要精确的信道信息，直观理解即需事先知道不同目标客户的位置。如何将与用户间的这一信道信息精准地告诉每一根天线是一件很棘手的事情。

传统通信系统通过手机监测基站发送的导频 (导频，即基站和手机端共同知晓的一段序列)，估计其信道并反馈给基站的做法在大规模天线中并不可行，因为基站天线数量众多，手机在向基站反馈时所需消耗的上行链路资源过于庞大。目前，最可行的方案是基于时分双工(TDD)的上行和下行链路的信道对称性，即通过手机向基站发送导频，在基站端监测上行链路，基于信道对称性，推断基站到手机端的下行链路信息。

其次，为了获得上行链路信息，手机终端需向基站发送导频，可是导频数量总是有限的，这样不可避免地需要在不同小区复用，从而会导致导频干扰。理论推导表明，导频干扰是限制大规模天线一剑破天的最终屏障。

另外，很多大规模天线波束成形的算法基于矩阵求逆运算，其复杂度随天线数量和其同时服务的用户数量上升而快速增加，导致硬件不能实时完成波束成形算法。快速矩阵求逆算法是攻克这一难题的一条途径。

为了克服这些挑战，世界顶尖的研究机构和各大设备商正加紧原型机的研发。除了上面提到的美国莱斯大学的Argos原型机外，还有三星毫米波大规模天线原型机、瑞典隆德大学LuMaMi原型机、欧洲电信研究院(Eurecom)Open Air Interface大规模天线原型机、英国布里斯托大学原型机等。

笔者有幸成为挑战这一科技难题的一员，参与搭建了Open Air Interface 64天线模型机。下图是其微缩版本(微缩为16根天线)，旨在展示我们对相关技术瓶颈的解决方案，在上个月的欧洲网络与通信研究大会上收到了良好反响。