第1章

多天线及波束赋形技术发展概述

1.3.5 多天线传输方案的选择

| 1.4 多天线及波束赋形技术的应用与发展趋势 |

由于多天线技术在提升峰值速率、系统频谱利用效率与传输可靠性等方面 具有巨大优势，该技术目前已被广泛地应用于几乎所有主流的无线接入系统中。 对于构建在 OFDM+MIMO 构架之上的 LTE 系统而言，MIMO 作为其标志性技 术之一，在 LTE 的几乎所有发展阶段都是其核心技术。MIMO 技术对于提高 数据传输的峰值速率与可靠性、扩展覆盖、抑制干扰、增加系统容量、提升系 统吞吐量都发挥着重要作用。MIMO 技术的性能增益来自于多天线信道的空间 自由度，因此扩展 MIMO 维度一直是该技术标准化和产业化发展的一个重要方 向。随着数据传输业务与用户数量的激增，未来移动通信系统将面临更大的技 术挑战。在此技术发展背景之下，大规模天线波束赋形理论应运而生。
2010 年 Bell 实验室的 Marzetta 教授提出可在基站使用大规模天线阵列构成大规模 MIMO（Massive MIMO）系统以大幅度提高系统的容量[10]，由此开 创了 Massive MIMO 技术理论。Massive MIMO 是指采用大规模天线阵列的 MIMO 技术，其设计思路类似于扩频通信。在扩频通信技术中，发射机利用伪 随机序列使信号趋于白化，使信号可以以极低的 SINR 隐没于噪声和干扰之中， 而又能被接收机检测出来。而 Massive MIMO 则利用大规模阵列使信号的空间 分布趋于白化，随着基站天线数量的增加，各用户的信道系数向量之间逐渐趋 于正交，高斯噪声以及互不相关的小区间干扰趋于可以忽略的水平，因此系统 内可以容纳的用户数量剧增，而给每个用户分配的功率可以任意小。研究结果 表明[10]，若基站配置 400 根天线，在 20MHz 带宽的同频复用 TDD 系统中，每 小区用 MU-MIMO 方式服务 42 个用户时，即使小区间无协作，且接收/发送只 采用简单的 MRC/MRT（Maximum Ratio Combining/Maximum Ratio Transmission） 时，每个小区的平均容量也可高达 1800Mbit/s。从波束形态的角度也可以解释 Massive MIMO 获得巨大增益的原因：随着阵列规模趋于无限大，基站侧形成 的波束将变得非常窄细，将具有极高的方向选择性及赋形增益。这种情况下， 多个 UE 之间的多用户干扰将趋于无限小。
Massive MIMO 技术被提出后，立刻成为学术界与产业界的一大热点。2010 至 2013 年间，Bell 实验室、瑞典的 Lund 大学、Linkoping 大学、美国的 Rice 大学等引领着国际学术界对 Massive MIMO 信道容量、传输、检测与 CSI 获取 等基本理论与技术问题进行了广泛的探索。在理论研究基础之上，学术界还积 极开展了针对 Massive MIMO 技术的原理验证工作。Lund 大学于 2011 年公开 了其基于大规模天线信道实测数据的分析结果[10]，该试验系统的基站采用 128 根天线的二维阵列，由 4 行 16 个双极化圆形微带天线构成，用户采用单天线。 信道的实测结果表明，当总天线数超过用户数的10倍后，即使采用ZF或 MMSE 线性预编码，也可达到优的 DPC（Dirty Paper Coding）容量的 98%。该结果 证实了当天线数达到一定数目时，多用户信道具有正交性，进而能够保证在采 用线性预编码时仍可逼近优 DPC 容量，由此验证了 Massive MIMO 的可实现 性。2012 年 Rice 大学、Bell 实验室与 Yale 大学联合构建了基于 64 天线阵子的 原理验证平台（Argos）[12]，能够支持 15 个单天线终端进行 MU-MIMO。根据 对经过波束赋形之后的接收信号、多用户干扰与噪声的实测数据，该系统的和 容量可以达到 85bit/(s·Hz)，而且在总功率为 1/64 的情况下也可以达到 SISO 系统频谱效率的 6.7 倍。
中国通信企业和高校在多天线的应用方面处于业界领先地位。1998 年，大 唐电信集团代表中国提出的TD-SCDMA 3G国际标准开始首次在全球将智能天 线波束赋形技术引入蜂窝移动通信系统，并且大唐电信集团等中国企业在 2006年开始在 TD-LTE 4G 标准中将其拓展到 8 天线多流波束赋形技术，实现了波束 赋形与空间复用的深度融合。该技术在国际上领先，性能得到业界认可，且已 经在全球商用。目前大部分商用 FDD LTE 仍采用两天线（部分采用 4 天线）。 在多天线技术方面，FDD LTE 落后于 TD-LTE。可见，TD-LTE 的多天线多流 波束赋形技术成果为我国企业在 5G 大规模多天线及波束赋形的技术研究、标 准与产业上取得了先机。
在 5G 移动通信的研发过程中，中国对于大规模天线波束赋形技术的研究 和推进工作也非常重视，陆续设立了多项“863”和“国家科技重大专项课题” 支持相关研发工作。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，负责组织企业和高等院校及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 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 统的核心技术推向实用化发展道路。根据此总体规划，5G 试验分技术研发试验 和产品研发试验两大阶段。
第一步主要由中国信息通信研究院主导，运营企业、设备企业及科研机构 共同参与，在 2015—2018 年期间会分三个子阶段开展工作：第一阶段已在 2016 年 9 月基本完成，主要针对 5G 的重点技术，包括大规模天线、新型多址、新 型多载波、高频段通信等 7 项无线关键技术及 4 项网络关键技术进行了单点的 样机性能和功能验证；第二阶段是 2016 年 6 月至 2017 年 9 月，融合了多种关 键技术，开展单基站性能测试；第三阶段是 2017 年 6 月至 2018 年 12 月，是对 5G 系统的组网技术性能进行测试，并且对 5G 典型业务进行演示。
产品研发试验阶段安排在 2018—2020 年间，在技术研发试验的基础之上， 针对产业化需求，进行针对产品研发的试验验证和外场试验。此阶段将会由运 营商来主导，终将为 5G 系统的商用奠定基础。
在上述计划中，大规模天线始终是各大企业的研发与测试验证的重要技术方 向。例如，大唐电信集团在第一阶段测试中采用的 5G 基站验证平台支持业界规模 大的 256 天线有源天线阵列，在 3.5GHz 频段的 100MHz 带宽上，可以支持 20 个 数据流的并行传输，频谱效率达到 4G（4th Generation）LTE 系统的 7～8 倍。
1.5 天线阵列结构对MIMO 技术发展的影响