序言

第 1 章

多天线及波束赋形技术发展概述

多天线技术对于提升传输速率、提高传输可靠性、改善系统频谱效率及抑制干扰具有十分重要的作用，因而在无线接入系统中有着十分广泛的应用。本章从多天线技术的基本原理着手，分析了理 想情况下的信道容量；在此基础上，结合不同的应用场景、信道条件 和业务需求，介绍了闭环空间复用、开环空间复用、波束赋形与发射 分集等多种常用的多天线技术方案，并对比了各种技术方案的适用条 件及特点；随后，探讨了多天线技术理论的发展动态及天线阵列结构 的演进趋势，并介绍了基于大规模天线阵列的波束赋形技术的研究方向及应用场景；最后，介绍了多天线技术的标准化情况。

| 1.1 绪 论 |

从 1G 到 5G，无线移动通信的应用已开始从以人与人通信为主，跨越到人与物、物与物的通信时代。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增长，未来移动通信系统对于无线传输链路的传输性能有 着近乎无止境的需求。为了应对系统需求的巨大挑战，对无线信道资源的拓展 及充分利用成为无线传输链路设计中最为核心的两大难题。而新一代移动通信 系统（5G，5th Generation）的研究与标准化工作也始终在围绕着增加频谱资源 和提升频谱效率这两条主线推进[1]。随着 6GHz 以下频段资源的日益紧张， IMT-2020（International Mobile Telecommunication-2020）5G 系统将把频段资 源扩展至高达 100GHz 的新频段。同时，5G 系统也将通过新型的多天线传输、 多址接入、编码调制、更为密集的组网方式等技术手段，有效地提升无线资源 的利用效率。
对于移动通信系统而言，信道资源一般包括频率、时间、码字等。根据具 体的多址方式，系统可以将不同的用户安排在不同的频段、时隙与扩频码上， 以实现无线传输过程中用户信息的区分。而实际上，只要能合理地控制信号的辐射方向（空间）与功率，就完全可以在间隔一定距离之后，实现信道资源的 重复利用。例如，移动通信系统正是采用了上述思路，逐渐从大区制演变为小 区（蜂窝）制，又进一步通过分割扇区，实现了相同覆盖面积内，信道资源在 多个小区/扇区之间的多次重复利用。从此意义考虑，空间也是一种非常重要的 无线信道资源。在图 1.1 的例子中，三个相邻的小区或扇区使用了不同的载频。 实际上，在上述区域中也可以使用完全相同的载频。

多天线（MIMO，Multiple Input Multiple Output）技术正是将充分利用空间 域信道资源的思想发挥到了极致。MIMO 是指无线链路的发射端和接收端（或 者至少一端）使用了多个天线的无线传输技术。根据 MIMO 信道容量理论，使 用了多天线之后，无线信道可以被分解成若干个相互没有干扰的并行数据通道。 理论上，各个并行的数据通道都可以重复使用相同的时、频、码资源，从而可 以在空间上实现信道资源利用效率的倍增，如图 1.2 所示。MIMO 实际上是利 用随机衰落和可能存在的延迟扩展来提高传输速率或传输可靠性的。

多天线传输方案大致可以分为空分复用、发射分集与波束赋形等。根据具体的天线配置、信道条件与业务需求，多天线系统可以用于提高系统的频谱效率、提升用户的峰值速率、改善小区边缘覆盖或增强传输可靠性。其中，空分复用技术可以利用多个数据流的空域并行传输提高传输速率；发射分集技术可 以利用空、时、频域的自由度提升传输的可靠性；波束赋形技术则可以通过空 域处理将发送信号的功率集中在期望的方向，从而改善有用信号的接收质量，并尽可能地抑制干扰。以上几中典型的多天线传输方案将在 1.3 节中进行介绍。
通过自适应调制与 Turbo 编码来提高传输性能，进而提升通信容量的方法 在 3G 时代就已达到接近单信道传输香农极限的水平。为了提升传输可靠性， 在 3G 系统中就开始使用较为简单的空间分集技术，在 TD-SCDMA 系统中则更是开创性地将波束赋形技术引入移动通信网络。事实证明，波束赋形技术对于 改善边缘覆盖、抑制干扰、提升接收信号质量以及整体网络性能起到了至关重要的作用。正是由于波束赋形技术在 TD-SCDMA 系统中的标准化以及大规模 网络部署中的成功应用，利用信道互易性对多天线传输系统进行空域优化处理 的思想从此便深深地植根于移动通信系统的标准化与产业化发展过程之中，对 于 TDD 系统以及多天线技术的演进与发展起到了重要的基础作用。
从 4G 系统开始，多天线技术的标准化应用进入了全面发展阶段。实际上， LTE 系统的物理层架构正是建立在 MIMO+OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）基础之上的。从 LTE 系统的第一个版本开始，就已经对 包括发射分集、空分复用、多用户MIMO及波束赋形技术在内的几乎所有MIMO 技术类别都进行了标准化。在 LTE 系统的后续演进中，对多天线技术的完善与 增强始终是其最重要的发展路线之一。随着 4G 系统的发展，波束赋形技术的 功能也逐渐得以扩展，其在整体系统中的作用也日益重要。首先，波束赋形能够支持的数据流数逐渐由单流扩展到双流，并进一步发展到最多 8 流。而且波束赋形技术的作用也逐渐从对单用户传输的优化，扩展到对多用户空分多址传 输的支持，并且在多小区协作化的部署环境中，也成为一种重要的干扰抑制与 协调手段。4G 系统对波束赋形功能的增强不仅仅体现在 TDD 系统中，实际上， FDD 系统的多天线方案设计也越来越偏重于小间距天线阵的应用以及对多用户 波束赋形能力的支持。
随着多天线技术理论的进一步发展以及基带处理能力与射频、天线技术 的进步，多天线技术的标准化发展也逐步向着进一步提升多天线维度，支持 更多用户、更多并行传输数据流的方向发展。在 4G 增强系统与 5G 系统中， 支持多达数十、上百乃至上千根天线的大规模天线（Massive MIMO）技术将 成为进一步提升无线接入系统效能以满足用户数与业务量爆炸式发展的一项重要途径。
大规模天线（Massive MIMO）可以分为分布式和集中式两种天线部署形式。 对于分布式大规模天线阵列，天线间距远大于 10 倍的波长，在热点地区或者室 内部署环境下，通过将多个天线分布在不同地理位置，形成不同接入点，大量 的接入点可以通过光纤或其他形式的回传网络汇集至基带处理节点或计算中心 进行处理。利用分布式大规模天线阵列，天线间通过协作，以虚拟大规模天线 系统的形式进行发送和接收，实现系统高速传输与容量提升。对于集中式大规 模天线阵列，天线间采用小间距部署方式（小间距一般指天线间距为 1/2 波长 的情况）。利用集中式 Massive MIMO 天线阵列天线间距小，天线间相关性强 的特点，可以形成具有更高空间分辨率的高增益窄细波束，以实现更灵活的空 分多址、改善接收信号质量并大幅度降低用户间的干扰，从而实现更高的系统 容量和频谱利用效率[2]。由于采用了波束赋形的信号发送方式，集中式大规模 天线又被称为大规模天线波束赋形技术（简称大规模天线）。同时，由于基于 集中式小间距大规模天线阵列进行波束赋形的技术方案对于提升系统频带利用 效率、改善覆盖、抑制干扰具有重要作用，集中式大规模天线是目前大规模天 线系统设计和标准化最为关注的技术方向。
大规模天线波束赋形技术对于不同的应用频段都具有重要的作用。在 6GHz 以下频段，大规模天线波束赋形技术可以通过高增益窄细波束以更高的 空间分辨能力实现各用户的空域区分并有效抑制干扰。而在 6GHz 以上频段， 从设备成本、功耗及复杂度的角度考虑，一般会采用数模混合的两级赋形结 构，即首先通过数字控制的模拟移相器在模拟域实现对信号空域特征的粗略 匹配以克服路径损耗，进而在较低维度的数字域利用用户级和频率选择性的 数字波束赋形技术精确匹配信道特性，最终实现提升传输质量及有效抑制干 扰。在这种情况下，波束赋形技术对于弥补非理想传播环境以保证系统覆盖 的作用将更加关键。
在本书后续章节中，我们对集中式 Massive MIMO（简称 Massive MIMO） 和大规模天线波束赋形技术（简称大规模天线）都有使用，并特指这种基于 小天线间距阵列，能够形成高分辨率、高增益窄细波束的大规模天线使用方式。
1.2 多天线及波束赋形理论基础