第 3 章 5G 无线关键技术
3.2 5G 物理层
3.3 多天线技术
3.3.1 大规模 MIMO
MIMO 是利用无线信号的空间独立性提高系统频谱效率的一种天线技术。移动通信系统在 3G 时代引入了 MIMO 技术，4G LTE 进一步发展了 MIMO 技术的应用。
2010 年，贝尔实验室在文献[27]中指出，在发射端已知信道状态信息的前提下，TDD 系统可通过增加基站的天线数量逐步削弱甚至消除噪声和快衰落对传输质量的影响。这一观点很快受到工业界和学术界的青睐，推动了大规模 MIMO（Massive MIMO，也称为 Large Scale Antenna System）技术的快速发展。大规模 MIMO 成为最早确定的 5G 关键技术一，并已成为 4G LTE 的扩容方案之一。
对大容量基站设备的急切需求是推动大规模 MIMO 快速发展的主要因素之一。除此之外，高频段的使用和有源天线系统（AAS，Active Antenna System）技术的成熟是实现大规模 MIMO 落地应用的主要推动力。
相邻天线发射的波形如果出现重叠，就会对信号传输产生严重的影响。为了避免重叠，通常要求天线振子间的间隔不小于半波长。我们知道，无线信号频率
越高，相应的波长越短；相反，低频信号波长较长，随着天线振子数量的增加，天线尺寸将变得非常大。表 3-9 参考文献[28]中的例子对比了不同频段下大规模MIMO 的尺寸。考虑一个面板型天线，其中天线阵列采用 8×8 的排列方式，天线振子双极化，振子间隔为载波频段的半波长，因此，大规模 MIMO 天线阵列的尺寸随载波频段的不同有较大差异。从表中可以看出，低频段载波的天线尺寸非常大。700 MHz 频段的天线阵列边长大于 1.7 m，这对塔杆的承重力有很高的要求，而紧张的天面资源也很难允许建设这样大尺寸的天线。在我国 5G 首发频段的 3.5 GHz 上，上述规模的天线阵列尺寸为 343 mm×343 mm，是可以接受的基站天线尺寸。在毫米波频段，该天线阵列的尺寸缩小到几十毫米等级。当频段为 73 GHz 以上时，相应的天线阵列的尺寸甚至可以嵌入在移动终端设备中。
目前，在 LTE 系统中广泛应用的天线属于无源设备，需要通过馈线与无线远端设备（RRU，Radio Remote Unit）连接，RRU 再通过光纤与基带单元（BBU，Base Band Unit）连接。有源天线系统将 RRU 功能与无源天线设备集成，形成有源天线单元（AAU，Active Antenna Unit）设备。高度集成化一方面减少了基站的硬件设备的数量，缩小了基站整体的物理空间尺寸；另一方面也减少了馈线损耗带来的功耗，为大规模 MIMO 天线的实际应用奠定了技术基础。更重要的是，有源天线系统实现了对馈线网络的数字化处理，极大地增强了天线波束的灵活性，并将波束从水平方向的二维空间分集扩展到水平方向和垂直方向的三维空间分集。
相比于传统的 MIMO 技术，大规模 MIMO 具有如下特性。
（1）更好的信号传播条件提高传输质量。
随着天线数量的增加，用户终端间信道的相关性降低，使得信道趋于最佳传播条件。同时，文献[27]中也论证了在发射端已知信道状态信息的前提下，可通过预编码等技术削弱噪声和多径效应的影响。信号传播条件的改善，不但有利于提升单个用户的传输质量，而且可有效降低不同位置用户体验的差异性。
（2）更窄的波束增强覆盖能力。
大规模 MIMO 通过对每个天线振子的数字化控制，可将辐射能量集中于目标空间内，形成更窄的波束，如图 3-9（a）所示。窄波束一方面能够将电磁波信号传播到更远的位置，扩大基站的覆盖范围；另一方面降低了传输之间的干扰，能有效提高边缘用户的传输速率。由此可见，大规模 MIMO 可利用更窄的波束提高基站的覆盖能力。5G 的工作频段较高，信号传播特性差。利用大规模MIMO 补偿高频信号的弱覆盖对实现 5G 连续覆盖具有重要意义。
（3）更高的空间复用增益提高小区容量。
多用户 MIMO（MU-MIMO，Multi-User MIMO）技术可使基站在相同的时频资源上同时为多个用户服务，即利用空间复用增益获得基站容量和频谱效率的提升。在大规模 MIMO 中，基站侧天线数量显著增加，可发射的独立数据流数量更多，因而利用 MU-MIMO 技术可同时为更多终端提供服务，如图 3-9（b）所示。因此，相比于传统 MIMO 天线，大规模 MIMO 可成倍提升小区容量。
（4）增加垂直方向波束扩展覆盖维度。
在无源多天线系统中，波束赋形固定在一个二维平面上，通常称为水平方向波束赋形。有源天线系统增加了波束赋形的维度，使大规模 MIMO 可实现垂直方向的波束赋形，打破了室外基站无法覆盖高层建筑的桎梏，如图 3-10 所示。能够实现垂直方向波束赋形的多天线系统也被称为 3D-MIMO 或 FD-MIMO。3D-MIMO 降低了高层覆盖的难度，减少了对室分系统的需求，为无人机等未来的先进技术的应用提供了有力支撑。
（5）降低空口时延。
大规模 MIMO 可有效对抗多径效应，降低了由于多径效应导致的空口时延。
（6）低功耗、低成本的天线单元。
大规模 MIMO 设备中采用大量低功耗、低成本的天线单元，通过对天线单元的智能化管理实现各种先进技术。大规模 MIMO 天线并不是采用单一的大型功率放大器，而是使用了多个小型功率放大器，其成本更低，更重要的是放大器损耗也更低。另外，因为将原有的 RRU 功能整合到天线中，相应减少了馈线损耗。因此，大规模 MIMO 降低了能量消耗，极大地提升了移动通信系统的能量效率。
3.3.2 5G NR 大规模天线结构
5G NR 支持下行最大 32 天线端口、上行最大 4 天线端口。基站和用户终端支持矩形天线阵列，天线结构如图 3-11 所示。基于此结构，5G NR 可灵活支持多种天线间隔、天线振子数量、天线端口布局和天线极化方法。
3.3.3 波束赋形技术
波束赋形是用于天线阵列的信号处理技术，用于用户定向信号的传输或接收。波束成形技术通过输入权重向量对天线阵列中的振子进行调整，利用空间信道的强相关性和波的干涉原理使特定角度的信号增强，而使其他角度的信号削弱，最终获得方向性较强的辐射方向图。
在实际应用中，波束赋形主要有以下 3 种形式。
（1）单流波束赋形：基站的全部天线参与波束赋形，共产生一个具有方向性的窄波束，在某一时刻上只服务一个用户，即单流的数据传输，如图 3-12（a）所示。
（2）分组波束赋形：基站中的天线分成多个组，每组内的天线共同参与波束赋形，基站可产生指向不同方向的波束，但仍然为单流数据传输，如图 3-12（b）所示
（3）基于分组波束赋形的空分多址：基站中的天线分成多个组，每组内的天线共同参与波束赋形，且产生的波束在空间分离、互不干扰，从而基站可同时服务于多个用户，即为多流数据传输，也就是多用户 MIMO，如图 3-12（c）所示。
在波束赋形技术中，不同的权重向量将产生不同方向的波束。根据权重向量是否预先定义，波束赋形技术可以分为固定权重波束赋形和自适应波束赋形。
固定权重波束赋形是指根据预先定义好的权重向量进行波束赋形。针对不同位置的用户，基站在一组权重向量中选择最接近用户位置的波束与用户建立连接。固定权重波束赋形的好处是无须实时进行权重向量的计算，简化了天线系统。但由于预先定义的权重向量无法遍历所有方向，当用户位置刚好位于两个波束之间时，无论选择哪个波束都无法获得较为理想的传输链路。在固定权重波束赋形中，权重向量也称为码本。
自适应波束赋形是指根据用户位置和实时的信道状态信息计算出最优的权重向量，从而获得与用户最匹配的波束方向。自适应波束赋形不但可为所有用户提供最佳波束，同时能够在可能产生干扰的方向上形成零陷，从而降低小区间干扰。因此，自适应波束赋形可极大地提升用户体验和小区吞吐量。然而，自适应波束赋形的计算复杂度随着天线数量和用户数量的增加而激增，可用于实际系统的自适应波束赋形算法还有待进一步研究。
5G NR 采用了固定权重的波束赋形技术。系统预先定义了一组满足 3GPPR15 标准要求的码本（即权重向量）。为了充分发挥大规模 MIMO 和波束赋形技术的优势，NR 定义了一系列波束管理（BeamManagement）方法和步骤，包括波束扫描（Beam Sweeping）、波束测量（Beam Measurement）、波束判决（Beam Determination）和波束报告（Beam Report）。以下行传输为例，在初始接入阶段，gNB 以时分形式、根据预先定义的码本重复发送同步信号和广播信道，如图 3-13（a）所示。这个步骤中的波束较宽，主要用于终端快速获得接入所需的信息，同时 gNB 初步判断适合终端的波束方向。图 3-13（a）中 gNB发射波束#3 具有针对终端位置的最优的指向性。进一步地，gNB 在发射波束#3的基础上对波束进行精细化处理，以获得更精准的波束方向，如图 3-13（b）所示。根据 gNB 最终判决的发射波束，终端从自己预先定义的码本中选择最优的码本进行接收，形成最适合的接收波束，如图 3-13（c）所示。
3.3.4 大规模 MIMO 商用现状
自 2010 年贝尔实验室提出大规模天线阵列的概念，大规模 MIMO 技术迅速发展。大规模 MIMO 可以很好地兼容 LTE 系统，并可为 LTE 系统带来显著的容量和覆盖性能的提升，因而基于 LTE 系统的大规模 MIMO 应用受到行业的青睐。
2014 年 11 月，中兴通讯联合中国移动在深圳完成了全球首个采用大规模天线的 TD-LTE 基站的预商用试验测试。测试采用 128 天线 64 端口的大规模MIMO 系统，重点针对高层楼宇的深度覆盖进行测试。测试中实现了对 35 层高层办公楼的全面深度覆盖，数据吞吐量优于原有 8天线基站，其中在 35 楼获得的数据速率是 8 天线基站的 3.36 倍。中兴通讯对大规模 MIMO 天线进行了周密的设计，使得大规模天线阵列的尺寸与 8 天线相当。在 2016 年巴塞罗那世界移动大会上，中兴通讯对自主研发的 Pre5G FDD Massive MIMO 进行了业务演示。演示可满足 8 部终端同时接入，实现单小区 2.6 Gbit/s 峰值速率，频谱效率提升达到 8 倍。最终该产品荣获“最佳移动技术突破”（Best MobileTechnology Breakthrough）以及“CTO 之选”（Outstanding Overall MobileTechnology-the CTO’s Choice 2016）双料大奖，代表了被业界认可的最高荣誉。2016 年 12 月 30 日，中兴通讯发布了全球首个基于 FDD LTE 制式的 MassiveMIMO 解决方案，并与中国联通合作完成外场预商用验证。
2015 年 9 月，华为联合中国移动集团研究院、中国移动上海公司在上海成功开通了基于 4G 网的全球首个超大规模多天线基站，并完成外场验证测试。测试中，华为大规模 MIMO 系统单模块内置 128 个射频通道和 128 根天线，终端采用 4G 商用智能手机，在单载波 20 MHz 频谱实现了下行 630Mbit/s 的吞吐量，频谱效率达到 4G 系统的 5～6 倍。
2016 年 9 月 16 日，日本软银开通了全球首个大规模 MIMO 商业服务。Sprint已在亚特兰大、芝加哥、达拉斯、休斯敦、洛杉矶和华盛顿特区 6 个城市开启64T64R 大规模 MIMO 技术的商业服务。美国 Sprint 表示新建的大规模 MIMO站点可通过升级软件升级到 5G 网络。这意味着当正式启动 5G 商用时，能够在6 个城市的塔架上远程激活 5G，而无须工程师再次爬到塔架上操作。
在 4G 网络上部署大规模 MIMO 系统有助于 4G 向 5G 的平滑演进。在这个过程中，大规模 MIMO 技术和终端设备需要不断地发展和改进。GTI 在大规模MIMO 白皮书中规划了面向 5G 的大规模 MIMO 演进路线图，如图 3-14 所示。