5G通信技術(shù)解讀｜大規(guī)模天線陣列技術(shù)

這是最好的時(shí)代，也是最壞的時(shí)代。

生活在科技大爆發(fā)的時(shí)代里，你是否感覺(jué)到一絲慶幸? 虛擬現(xiàn)實(shí)、自動(dòng)駕駛，無(wú)數(shù)令人血脈僨張的新型應(yīng)用正在井噴式地爆發(fā)，模糊了虛擬和現(xiàn)實(shí)的邊界，并深刻地改變著我們觸碰和認(rèn)知世界的方式。

而這，對(duì)于通信人而言卻是一場(chǎng)艱苦卓絕的戰(zhàn)斗。

眾說(shuō)周知，無(wú)線通信依托于電磁波傳播，最寶貴的資源莫過(guò)于頻帶。為防止移動(dòng)通信網(wǎng)、無(wú)線電視、廣播、軍用頻段等的相互干擾，每個(gè)國(guó)家都對(duì)無(wú)線頻段的使用做出了嚴(yán)格的劃分。根據(jù)電磁波在空氣中傳播的特性，6G赫茲以下頻段因其在空氣中衰減小、穿透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被視為優(yōu)質(zhì)頻帶資源，很多依托無(wú)線電的應(yīng)用都集中在這一頻段資源上，因此無(wú)比擁擠。

另一方面，用戶對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)需求正呈現(xiàn)爆發(fā)性的增長(zhǎng)，特別是需要實(shí)時(shí)傳輸大量數(shù)據(jù)的無(wú)線應(yīng)用，如視頻直播、高清電話會(huì)議、虛擬現(xiàn)實(shí)游戲等，對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。而“關(guān)鍵型任務(wù)機(jī)器通信” (mission-critical machine type communication) 又對(duì)通信的可靠性和時(shí)延提出了極為苛刻的要求，此類應(yīng)用包括工業(yè)自動(dòng)化、車輛通信等。1000倍于4G LTE系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量和1毫秒極低時(shí)延已逐漸成為業(yè)界對(duì)下一代無(wú)線通信網(wǎng)要求的共識(shí)。

面對(duì)強(qiáng)烈需求，背靠緊缺資源，如何滿足科技爆發(fā)時(shí)代最底層速率的需求，為社會(huì)架起一條高速信息管道? “5G”正在給出答案。5G (Fifth Generation)，即第五代無(wú)線通信系統(tǒng)，是在走過(guò)模擬通信、第二代、第三代和正在經(jīng)歷的第四代LTE系統(tǒng)之后，通信人正在攀登的另一座高峰。

一個(gè)體系的革新?lián)Q代，其中必包含了無(wú)數(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)，5G也是如此。筆者將與你分享其間的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，大規(guī)模天線陣列。它的應(yīng)用不單可以大幅度提升網(wǎng)絡(luò)容量和用戶體驗(yàn)，也將對(duì)通信行業(yè)產(chǎn)成深遠(yuǎn)的影響，1分鐘下載一部高清電影的時(shí)代已經(jīng)離我們不遠(yuǎn)了。

波束成形

理解大規(guī)模天線首先需要了解波束成形技術(shù)。傳統(tǒng)通信方式是基站與手機(jī)間單天線到單天線的電磁波傳播，而在波束成形技術(shù)中，基站端擁有多根天線，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)天線發(fā)射信號(hào)的相位，使其在手機(jī)接收點(diǎn)形成電磁波的疊加，從而達(dá)到提高接收信號(hào)強(qiáng)度的目的。

從基站方面看，這種利用數(shù)字信號(hào)處理產(chǎn)生的疊加效果就如同完成了基站端虛擬天線方向圖的構(gòu)造，因此稱為“波束成形” (Beamforming)。通過(guò)這一技術(shù)，發(fā)射能量可以匯集到用戶所在位置，而不向其他方向擴(kuò)散，并且基站可以通過(guò)監(jiān)測(cè)用戶的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，使最佳發(fā)射方向跟隨用戶的移動(dòng)，保證在任何時(shí)候手機(jī)接收點(diǎn)的電磁波信號(hào)都處于疊加狀態(tài)。

打個(gè)比方，傳統(tǒng)通信就像燈泡，照亮整個(gè)房間，而波速成形就像手電筒，光亮可以智能地匯集到目標(biāo)位置上。

普通全向天線，覆蓋所有區(qū)域

波速成形后的天線，將能量集中到一個(gè)方向

在實(shí)際應(yīng)用中，多天線的基站也可以同時(shí)瞄準(zhǔn)多個(gè)用戶，構(gòu)造朝向多個(gè)目標(biāo)客戶的不同波束，并有效減少各個(gè)波束之間的干擾。這種多用戶的波束成形在空間上有效地分離了不同用戶間的電磁波，是大規(guī)模天線的基礎(chǔ)所在。

大規(guī)模天線陣列

大規(guī)模天線陣列正是基于多用戶波束成形的原理，在基站端布置幾百根天線，對(duì)幾十個(gè)目標(biāo)接收機(jī)調(diào)制各自的波束，通過(guò)空間信號(hào)隔離，在同一頻率資源上同時(shí)傳輸幾十條信號(hào)。這種對(duì)空間資源的充分挖掘，可以有效利用寶貴而稀缺的頻帶資源，并且?guī)资兜靥嵘W(wǎng)絡(luò)容量。

大家可以從下圖中美國(guó)萊斯大學(xué)的大規(guī)模天線陣列原型機(jī)中看到由64個(gè)小天線組成的天線陣列，這很好地展示了大規(guī)模天線系統(tǒng)的雛形。

美國(guó)萊斯大學(xué) Argos 大規(guī)模天線陣列原型機(jī)

大規(guī)模天線陣列為何能動(dòng)搖通信底層?

大規(guī)模天線并不只是簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)增天線數(shù)量，因?yàn)榱孔兛梢砸鹳|(zhì)變。依據(jù)大數(shù)定理和中心極限定理，樣本數(shù)趨向于無(wú)窮，均值趨向于期望值，而獨(dú)立隨機(jī)變量的均值分布趨向于正態(tài)分布。隨機(jī)變量趨于穩(wěn)定，這正是“大”的美。

在單天線對(duì)單天線的傳輸系統(tǒng)中，由于環(huán)境的復(fù)雜性，電磁波在空氣中經(jīng)過(guò)多條路徑傳播后在接收點(diǎn)可能相位相反，互相削弱，此時(shí)信道很有可能陷于很強(qiáng)的衰落，影響用戶接收到的信號(hào)質(zhì)量。而當(dāng)基站天線數(shù)量增多時(shí)，相對(duì)于用戶的幾百根天線就擁有了幾百個(gè)信道，他們相互獨(dú)立，同時(shí)陷入衰落的概率便大大減小，這對(duì)于通信系統(tǒng)而言變得簡(jiǎn)單而易于處理。

大規(guī)模天線有哪些好處?

第一，當(dāng)然是大幅度提高網(wǎng)絡(luò)容量。

第二，因?yàn)橛幸欢烟炀€同時(shí)發(fā)力，由波速成形形成的信號(hào)疊加增益將使得每根天線只需以小功率發(fā)射信號(hào)，從而避免使用昂貴的大動(dòng)態(tài)范圍功率放大器，減少了硬件成本。

第三，大數(shù)定律造就的平坦衰落信道使得低延時(shí)通信成為可能。傳統(tǒng)通信系統(tǒng)為了對(duì)抗信道的深度衰落，需要使用信道編碼和交織器，將由深度衰落引起的連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤分散到各個(gè)不同的時(shí)間段上(交織器的目的即將不同時(shí)間段的信號(hào)揉雜, 從而分散某一短時(shí)間內(nèi)的連續(xù)錯(cuò)誤)，而這種揉雜過(guò)程導(dǎo)致接收機(jī)需完整接受所有數(shù)據(jù)才能獲得信息，造成時(shí)延。在大規(guī)模天線下，得益于大數(shù)定理而產(chǎn)生的衰落消失，信道變得良好，對(duì)抗深度衰弱的過(guò)程可以大大簡(jiǎn)化，因此時(shí)延也可以大幅降低。

值得一提的是，與大規(guī)模天線形成完美匹配的是5G的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)--毫米波。毫米波擁有豐富的帶寬，可是衰減強(qiáng)烈，而大規(guī)模天線的波束成形正好補(bǔ)足了其短板。

相關(guān)文章：《如何實(shí)現(xiàn)比4G快十倍?毫米波技術(shù)是5G的關(guān)鍵》。

正在解決的瓶頸問(wèn)題

首先，想要發(fā)揮所有天線的潛力，基站端需要精確的信道信息，直觀理解即需事先知道不同目標(biāo)客戶的位置。如何將與用戶間的這一信道信息精準(zhǔn)地告訴每一根天線是一件很棘手的事情。

傳統(tǒng)通信系統(tǒng)通過(guò)手機(jī)監(jiān)測(cè)基站發(fā)送的導(dǎo)頻 (導(dǎo)頻，即基站和手機(jī)端共同知曉的一段序列)，估計(jì)其信道并反饋給基站的做法在大規(guī)模天線中并不可行，因?yàn)榛咎炀€數(shù)量眾多，手機(jī)在向基站反饋時(shí)所需消耗的上行鏈路資源過(guò)于龐大。目前，最可行的方案是基于時(shí)分雙工(TDD)的上行和下行鏈路的信道對(duì)稱性，即通過(guò)手機(jī)向基站發(fā)送導(dǎo)頻，在基站端監(jiān)測(cè)上行鏈路，基于信道對(duì)稱性，推斷基站到手機(jī)端的下行鏈路信息。

其次，為了獲得上行鏈路信息，手機(jī)終端需向基站發(fā)送導(dǎo)頻，可是導(dǎo)頻數(shù)量總是有限的，這樣不可避免地需要在不同小區(qū)復(fù)用，從而會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)頻干擾。理論推導(dǎo)表明，導(dǎo)頻干擾是限制大規(guī)模天線一劍破天的最終屏障。

另外，很多大規(guī)模天線波束成形的算法基于矩陣求逆運(yùn)算，其復(fù)雜度隨天線數(shù)量和其同時(shí)服務(wù)的用戶數(shù)量上升而快速增加，導(dǎo)致硬件不能實(shí)時(shí)完成波束成形算法。快速矩陣求逆算法是攻克這一難題的一條途徑。

為了克服這些挑戰(zhàn)，世界頂尖的研究機(jī)構(gòu)和各大設(shè)備商正加緊原型機(jī)的研發(fā)。除了上面提到的美國(guó)萊斯大學(xué)的Argos原型機(jī)外，還有三星毫米波大規(guī)模天線原型機(jī)、瑞典隆德大學(xué)LuMaMi原型機(jī)、歐洲電信研究院(Eurecom)Open Air Interface大規(guī)模天線原型機(jī)、英國(guó)布里斯托大學(xué)原型機(jī)等。

筆者有幸成為挑戰(zhàn)這一科技難題的一員，參與搭建了Open Air Interface 64天線模型機(jī)。下圖是其微縮版本(微縮為16根天線)，旨在展示我們對(duì)相關(guān)技術(shù)瓶頸的解決方案，在上個(gè)月的歐洲網(wǎng)絡(luò)與通信研究大會(huì)上收到了良好反響。