多天線及波束賦形技術的應用與發展趨勢| 帶你讀《大規模天線波束賦形 技術原理與設計 》之七

第1章

多天線及波束賦形技術發展概述

1.3.5 多天線傳輸方案的選擇

| 1.4 多天線及波束賦形技術的應用與發展趨勢 |

由于多天線技術在提升峰值速率、系統頻譜利用效率與傳輸可靠性等方面 具有巨大優勢，該技術目前已被廣泛地應用于幾乎所有主流的無線接入系統中。 對于建構在 OFDM+MIMO 構架之上的 LTE 系統而言，MIMO 作為其标志性技 術之一，在 LTE 的幾乎所有發展階段都是其核心技術。MIMO 技術對于提高 資料傳輸的峰值速率與可靠性、擴充覆寫、抑制幹擾、增加系統容量、提升系 統吞吐量都發揮着重要作用。MIMO 技術的性能增益來自于多天線信道的空間 自由度，是以擴充 MIMO 次元一直是該技術标準化和産業化發展的一個重要方 向。随着資料傳輸業務與使用者數量的激增，未來移動通信系統将面臨更大的技 術挑戰。在此技術發展背景之下，大規模天線波束賦形理論應運而生。

2010 年 Bell 實驗室的 Marzetta 教授提出可在基站使用大規模天線陣列構成大規模 MIMO（Massive MIMO）系統以大幅度提高系統的容量[10]，由此開 創了 Massive MIMO 技術理論。Massive MIMO 是指采用大規模天線陣列的 MIMO 技術，其設計思路類似于擴頻通信。在擴頻通信技術中，發射機利用僞 随機序列使信号趨于白化，使信号可以以極低的 SINR 隐沒于噪聲和幹擾之中， 而又能被接收機檢測出來。而 Massive MIMO 則利用大規模陣列使信号的空間 分布趨于白化，随着基站天線數量的增加，各使用者的信道系數向量之間逐漸趨 于正交，高斯噪聲以及互不相關的小區間幹擾趨于可以忽略的水準，是以系統 内可以容納的使用者數量劇增，而給每個使用者配置設定的功率可以任意小。研究結果 表明[10]，若基站配置 400 根天線，在 20MHz 帶寬的同頻複用 TDD 系統中，每 小區用 MU-MIMO 方式服務 42 個使用者時，即使小區間無協作，且接收/發送隻 采用簡單的 MRC/MRT（Maximum Ratio Combining/Maximum Ratio Transmission） 時，每個小區的平均容量也可高達 1800Mbit/s。從波束形态的角度也可以解釋 Massive MIMO 獲得巨大增益的原因：随着陣列規模趨于無限大，基站側形成 的波束将變得非常窄細，将具有極高的方向選擇性及賦形增益。這種情況下， 多個 UE 之間的多使用者幹擾将趨于無限小。

Massive MIMO 技術被提出後，立刻成為學術界與産業界的一大熱點。2010 至 2013 年間，Bell 實驗室、瑞典的 Lund 大學、Linkoping 大學、美國的 Rice 大學等引領着國際學術界對 Massive MIMO 信道容量、傳輸、檢測與 CSI 擷取 等基本理論與技術問題進行了廣泛的探索。在理論研究基礎之上，學術界還積 極開展了針對 Massive MIMO 技術的原理驗證工作。Lund 大學于 2011 年公開 了其基于大規模天線信道實測資料的分析結果[10]，該試驗系統的基站采用 128 根天線的二維陣列，由 4 行 16 個雙極化圓形微帶天線構成，使用者采用單天線。 信道的實測結果表明，當總天線數超過使用者數的10倍後，即使采用ZF或 MMSE 線性預編碼，也可達到優的 DPC（Dirty Paper Coding）容量的 98%。該結果 證明了當天線數達到一定數目時，多使用者信道具有正交性，進而能夠保證在采 用線性預編碼時仍可逼近優 DPC 容量，由此驗證了 Massive MIMO 的可實作 性。2012 年 Rice 大學、Bell 實驗室與 Yale 大學聯合建構了基于 64 天線陣子的 原理驗證平台（Argos）[12]，能夠支援 15 個單天線終端進行 MU-MIMO。根據 對經過波束賦形之後的接收信号、多使用者幹擾與噪聲的實測資料，該系統的和 容量可以達到 85bit/(s·Hz)，而且在總功率為 1/64 的情況下也可以達到 SISO 系統頻譜效率的 6.7 倍。

中國通信企業和高校在多天線的應用方面處于業界領先地位。1998 年，大 唐電信集團代表中國提出的TD-SCDMA 3G國際标準開始首次在全球将智能天 線波束賦形技術引入蜂窩移動通信系統，并且大唐電信集團等中國企業在 2006年開始在 TD-LTE 4G 标準中将其拓展到 8 天線多流波束賦形技術，實作了波束 賦形與空間複用的深度融合。該技術在國際上領先，性能得到業界認可，且已 經在全球商用。目前大部分商用 FDD LTE 仍采用兩天線（部分采用 4 天線）。 在多天線技術方面，FDD LTE 落後于 TD-LTE。可見，TD-LTE 的多天線多流 波束賦形技術成果為我國企業在 5G 大規模多天線及波束賦形的技術研究、标 準與産業上取得了先機。

在 5G 移動通信的研發過程中，中國對于大規模天線波束賦形技術的研究 和推進工作也非常重視，陸續設立了多項“863”和“國家科技重大專項課題” 支援相關研發工作。2013 年成立的 IMT-2020 推進組中，專門設立了大規模天 線技術專題組，負責組織企業和高等院校及科研院所進行大規模天線關鍵技術 研究、系統方案設計和推進工作。在上述研究工作基礎之上，工信部制定了我 國 5G 技術研發與試驗工作總體計劃，進一步将大規模天線技術等 IMT-2020 系 統的核心技術推向實用化發展道路。根據此總體規劃，5G 試驗分技術研發試驗 和産品研發試驗兩大階段。

第一步主要由中國資訊通信研究院主導，營運企業、裝置企業及科研機構 共同參與，在 2015—2018 年期間會分三個子階段開展工作：第一階段已在 2016 年 9 月基本完成，主要針對 5G 的重點技術，包括大規模天線、新型多址、新 型多載波、高頻段通信等 7 項無線關鍵技術及 4 項網絡關鍵技術進行了單點的 樣機性能和功能驗證；第二階段是 2016 年 6 月至 2017 年 9 月，融合了多種關 鍵技術，開展單基站性能測試；第三階段是 2017 年 6 月至 2018 年 12 月，是對 5G 系統的組網技術性能進行測試，并且對 5G 典型業務進行示範。

産品研發試驗階段安排在 2018—2020 年間，在技術研發試驗的基礎之上， 針對産業化需求，進行針對産品研發的試驗驗證和外場試驗。此階段将會由運 營商來主導，終将為 5G 系統的商用奠定基礎。

在上述計劃中，大規模天線始終是各大企業的研發與測試驗證的重要技術方 向。例如，大唐電信集團在第一階段測試中采用的 5G 基站驗證平台支援業界規模 大的 256 天線有源天線陣列，在 3.5GHz 頻段的 100MHz 帶寬上，可以支援 20 個 資料流的并行傳輸，頻譜效率達到 4G（4th Generation）LTE 系統的 7～8 倍。

1.5 天線陣列結構對MIMO 技術發展的影響