序言
第 1 章
多天線及波束賦形技術發展概述
多天線技術對于提升傳輸速率、提高傳輸可靠性、改善系統頻譜效率及抑制幹擾具有十分重要的作用，因而在無線接入系統中有着十分廣泛的應用。本章從多天線技術的基本原理着手，分析了理 想情況下的信道容量；在此基礎上，結合不同的應用場景、信道條件 和業務需求，介紹了閉環空間複用、開環空間複用、波束賦形與發射 分集等多種常用的多天線技術方案，并對比了各種技術方案的适用條 件及特點；随後，探讨了多天線技術理論的發展動态及天線陣列結構 的演進趨勢，并介紹了基于大規模天線陣列的波束賦形技術的研究方向及應用場景；最後，介紹了多天線技術的标準化情況。
| 1.1 緒 論 |
從 1G 到 5G，無線移動通信的應用已開始從以人與人通信為主，跨越到人與物、物與物的通信時代。面對多種多樣的新興業務形态以及終端連接配接數和數 據流量規模的爆炸式增長，未來移動通信系統對于無線傳輸鍊路的傳輸性能有 着近乎無止境的需求。為了應對系統需求的巨大挑戰，對無線信道資源的拓展 及充分利用成為無線傳輸鍊路設計中最為核心的兩大難題。而新一代移動通信 系統（5G，5th Generation）的研究與标準化工作也始終在圍繞着增加頻譜資源 和提升頻譜效率這兩條主線推進[1]。随着 6GHz 以下頻段資源的日益緊張， IMT-2020（International Mobile Telecommunication-2020）5G 系統将把頻段資 源擴充至高達 100GHz 的新頻段。同時，5G 系統也将通過新型的多天線傳輸、 多址接入、編碼調制、更為密集的組網方式等技術手段，有效地提升無線資源 的利用效率。
對于移動通信系統而言，信道資源一般包括頻率、時間、碼字等。根據具 體的多址方式，系統可以将不同的使用者安排在不同的頻段、時隙與擴頻碼上， 以實作無線傳輸過程中使用者資訊的區分。而實際上，隻要能合理地控制信号的輻射方向（空間）與功率，就完全可以在間隔一定距離之後，實作信道資源的 重複利用。例如，移動通信系統正是采用了上述思路，逐漸從大區制演變為小 區（蜂窩）制，又進一步通過分割扇區，實作了相同覆寫面積内，信道資源在 多個小區/扇區之間的多次重複利用。從此意義考慮，空間也是一種非常重要的 無線信道資源。在圖 1.1 的例子中，三個相鄰的小區或扇區使用了不同的載頻。 實際上，在上述區域中也可以使用完全相同的載頻。
多天線（MIMO，Multiple Input Multiple Output）技術正是将充分利用空間 域信道資源的思想發揮到了極緻。MIMO 是指無線鍊路的發射端和接收端（或 者至少一端）使用了多個天線的無線傳輸技術。根據 MIMO 信道容量理論，使 用了多天線之後，無線信道可以被分解成若幹個互相沒有幹擾的并行資料通道。 理論上，各個并行的資料通道都可以重複使用相同的時、頻、碼資源，進而可 以在空間上實作信道資源利用效率的倍增，如圖 1.2 所示。MIMO 實際上是利 用随機衰落和可能存在的延遲擴充來提高傳輸速率或傳輸可靠性的。
多天線傳輸方案大緻可以分為空分複用、發射分集與波束賦形等。根據具體的天線配置、信道條件與業務需求，多天線系統可以用于提高系統的頻譜效率、提升使用者的峰值速率、改善小區邊緣覆寫或增強傳輸可靠性。其中，空分複用技術可以利用多個資料流的空域并行傳輸提高傳輸速率；發射分集技術可 以利用空、時、頻域的自由度提升傳輸的可靠性；波束賦形技術則可以通過空 域處理将發送信号的功率集中在期望的方向，進而改善有用信号的接收品質，并盡可能地抑制幹擾。以上幾中典型的多天線傳輸方案将在 1.3 節中進行介紹。
通過自适應調制與 Turbo 編碼來提高傳輸性能，進而提升通信容量的方法 在 3G 時代就已達到接近單信道傳輸香農極限的水準。為了提升傳輸可靠性， 在 3G 系統中就開始使用較為簡單的空間分集技術，在 TD-SCDMA 系統中則更是開創性地将波束賦形技術引入移動通信網絡。事實證明，波束賦形技術對于 改善邊緣覆寫、抑制幹擾、提升接收信号品質以及整體網絡性能起到了至關重要的作用。正是由于波束賦形技術在 TD-SCDMA 系統中的标準化以及大規模 網絡部署中的成功應用，利用信道互易性對多天線傳輸系統進行空域優化處理 的思想從此便深深地植根于移動通信系統的标準化與産業化發展過程之中，對 于 TDD 系統以及多天線技術的演進與發展起到了重要的基礎作用。
從 4G 系統開始，多天線技術的标準化應用進入了全面發展階段。實際上， LTE 系統的實體層架構正是建立在 MIMO+OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）基礎之上的。從 LTE 系統的第一個版本開始，就已經對 包括發射分集、空分複用、多使用者MIMO及波束賦形技術在内的幾乎所有MIMO 技術類别都進行了标準化。在 LTE 系統的後續演進中，對多天線技術的完善與 增強始終是其最重要的發展路線之一。随着 4G 系統的發展，波束賦形技術的 功能也逐漸得以擴充，其在整體系統中的作用也日益重要。首先，波束賦形能夠支援的資料流數逐漸由單流擴充到雙流，并進一步發展到最多 8 流。而且波束賦形技術的作用也逐漸從對單使用者傳輸的優化，擴充到對多使用者空分多址傳 輸的支援，并且在多小區協作化的部署環境中，也成為一種重要的幹擾抑制與 協調手段。4G 系統對波束賦形功能的增強不僅僅展現在 TDD 系統中，實際上， FDD 系統的多天線方案設計也越來越偏重于小間距天線陣的應用以及對多使用者 波束賦形能力的支援。
随着多天線技術理論的進一步發展以及基帶處理能力與射頻、天線技術 的進步，多天線技術的标準化發展也逐漸向着進一步提升多天線次元，支援 更多使用者、更多并行傳輸資料流的方向發展。在 4G 增強系統與 5G 系統中， 支援多達數十、上百乃至上千根天線的大規模天線（Massive MIMO）技術将 成為進一步提升無線接入系統效能以滿足使用者數與業務量爆炸式發展的一項重要途徑。
大規模天線（Massive MIMO）可以分為分布式和集中式兩種天線部署形式。 對于分布式大規模天線陣列，天線間距遠大于 10 倍的波長，在熱點地區或者室 内部署環境下，通過将多個天線分布在不同地理位置，形成不同接入點，大量 的接入點可以通過光纖或其他形式的回傳網絡彙集至基帶處理節點或計算中心 進行處理。利用分布式大規模天線陣列，天線間通過協作，以虛拟大規模天線 系統的形式進行發送和接收，實作系統高速傳輸與容量提升。對于集中式大規 模天線陣列，天線間采用小間距部署方式（小間距一般指天線間距為 1/2 波長 的情況）。利用集中式 Massive MIMO 天線陣列天線間距小，天線間相關性強 的特點，可以形成具有更高空間分辨率的高增益窄細波束，以實作更靈活的空 分多址、改善接收信号品質并大幅度降低使用者間的幹擾，進而實作更高的系統 容量和頻譜利用效率[2]。由于采用了波束賦形的信号發送方式，集中式大規模 天線又被稱為大規模天線波束賦形技術（簡稱大規模天線）。同時，由于基于 集中式小間距大規模天線陣列進行波束賦形的技術方案對于提升系統頻帶利用 效率、改善覆寫、抑制幹擾具有重要作用，集中式大規模天線是目前大規模天 線系統設計和标準化最為關注的技術方向。
大規模天線波束賦形技術對于不同的應用頻段都具有重要的作用。在 6GHz 以下頻段，大規模天線波束賦形技術可以通過高增益窄細波束以更高的 空間分辨能力實作各使用者的空域區分并有效抑制幹擾。而在 6GHz 以上頻段， 從裝置成本、功耗及複雜度的角度考慮，一般會采用數模混合的兩級賦形結 構，即首先通過數字控制的模拟移相器在模拟域實作對信号空域特征的粗略 比對以克服路徑損耗，進而在較低次元的數字域利用使用者級和頻率選擇性的 數字波束賦形技術精确比對信道特性，最終實作提升傳輸品質及有效抑制幹 擾。在這種情況下，波束賦形技術對于彌補非理想傳播環境以保證系統覆寫 的作用将更加關鍵。
在本書後續章節中，我們對集中式 Massive MIMO（簡稱 Massive MIMO） 和大規模天線波束賦形技術（簡稱大規模天線）都有使用，并特指這種基于 小天線間距陣列，能夠形成高分辨率、高增益窄細波束的大規模天線使用方式。
1.2 多天線及波束賦形理論基礎