5G通信技術(shù)解讀｜大規模天線(xiàn)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? 虛擬現實(shí)、自動(dòng)駕駛，無(wú)數令人血脈僨張的新型應用正在井噴式地爆發(fā)，模糊了虛擬和現實(shí)的邊界，并深刻地改變著(zhù)我們觸碰和認知世界的方式。

而這，對于通信人而言卻是一場(chǎng)艱苦卓絕的戰斗。

眾說(shuō)周知，無(wú)線(xiàn)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(xiàn)電視、廣播、軍用頻段等的相互干擾，每個(gè)國家都對無(wú)線(xiàn)頻段的使用做出了嚴格的劃分。根據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、穿透力強等優(yōu)點(diǎn)，被視為優(yōu)質(zhì)頻帶資源，很多依托無(wú)線(xiàn)電的應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(hù)對移動(dòng)通信網(wǎng)的數據需求正呈現爆發(fā)性的增長(cháng)，特別是需要實(shí)時(shí)傳輸大量數據的無(wú)線(xiàn)應用，如視頻直播、高清電話(huà)會(huì )議、虛擬現實(shí)游戲等，對網(wǎng)絡(luò )容量是嚴峻的考驗。而“關(guān)鍵型任務(wù)機器通信” (mission-critical machine type communication) 又對通信的可靠性和時(shí)延提出了極為苛刻的要求，此類(lèi)應用包括工業(yè)自動(dòng)化、車(chē)輛通信等。1000倍于4G LTE系統的網(wǎng)絡(luò )容量和1毫秒極低時(shí)延已逐漸成為業(yè)界對下一代無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)要求的共識。

面對強烈需求，背靠緊缺資源，如何滿(mǎn)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(xiàn)通信系統，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)數的創(chuàng )新點(diǎn)，5G也是如此。筆者將與你分享其間的一項關(guān)鍵技術(shù)，大規模天線(xiàn)陣列。它的應用不單可以大幅度提升網(wǎng)絡(luò )容量和用戶(hù)體驗，也將對通信行業(yè)產(chǎn)成深遠的影響，1分鐘下載一部高清電影的時(shí)代已經(jīng)離我們不遠了。

波束成形

理解大規模天線(xiàn)首先需要了解波束成形技術(shù)。傳統通信方式是基站與手機間單天線(xiàn)到單天線(xiàn)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(xiàn)，可以自動(dòng)調節各個(gè)天線(xiàn)發(fā)射信號的相位，使其在手機接收點(diǎn)形成電磁波的疊加，從而達到提高接收信號強度的目的。

從基站方面看，這種利用數字信號處理產(chǎn)生的疊加效果就如同完成了基站端虛擬天線(xiàn)方向圖的構造，因此稱(chēng)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(hù)所在位置，而不向其他方向擴散，并且基站可以通過(guò)監測用戶(hù)的信號，對其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，使最佳發(fā)射方向跟隨用戶(hù)的移動(dòng)，保證在任何時(shí)候手機接收點(diǎn)的電磁波信號都處于疊加狀態(tài)。

打個(gè)比方，傳統通信就像燈泡，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位置上。

普通全向天線(xiàn)，覆蓋所有區域

波速成形后的天線(xiàn)，將能量集中到一個(gè)方向

在實(shí)際應用中，多天線(xiàn)的基站也可以同時(shí)瞄準多個(gè)用戶(hù)，構造朝向多個(gè)目標客戶(hù)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(hù)的波束成形在空間上有效地分離了不同用戶(hù)間的電磁波，是大規模天線(xiàn)的基礎所在。

大規模天線(xiàn)陣列

大規模天線(xiàn)陣列正是基于多用戶(hù)波束成形的原理，在基站端布置幾百根天線(xiàn)，對幾十個(gè)目標接收機調制各自的波束，通過(guò)空間信號隔離，在同一頻率資源上同時(shí)傳輸幾十條信號。這種對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，并且幾十倍地提升網(wǎng)絡(luò )容量。

大家可以從下圖中美國萊斯大學(xué)的大規模天線(xiàn)陣列原型機中看到由64個(gè)小天線(xiàn)組成的天線(xiàn)陣列，這很好地展示了大規模天線(xiàn)系統的雛形。

美國萊斯大學(xué) Argos 大規模天線(xiàn)陣列原型機

大規模天線(xiàn)陣列為何能動(dòng)搖通信底層?

大規模天線(xiàn)并不只是簡(jiǎn)單地擴增天線(xiàn)數量，因為量變可以引起質(zhì)變。依據大數定理和中心極限定理，樣本數趨向于無(wú)窮，均值趨向于期望值，而獨立隨機變量的均值分布趨向于正態(tài)分布。隨機變量趨于穩定，這正是“大”的美。

在單天線(xiàn)對單天線(xiàn)的傳輸系統中，由于環(huán)境的復雜性，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的衰落，影響用戶(hù)接收到的信號質(zhì)量。而當基站天線(xiàn)數量增多時(shí)，相對于用戶(hù)的幾百根天線(xiàn)就擁有了幾百個(gè)信道，他們相互獨立，同時(shí)陷入衰落的概率便大大減小，這對于通信系統而言變得簡(jiǎn)單而易于處理。

大規模天線(xiàn)有哪些好處?

第一，當然是大幅度提高網(wǎng)絡(luò )容量。

第二，因為有一堆天線(xiàn)同時(shí)發(fā)力，由波速成形形成的信號疊加增益將使得每根天線(xiàn)只需以小功率發(fā)射信號，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。傳統通信系統為了對抗信道的深度衰落，需要使用信道編碼和交織器，將由深度衰落引起的連續突發(fā)錯誤分散到各個(gè)不同的時(shí)間段上(交織器的目的即將不同時(shí)間段的信號揉雜, 從而分散某一短時(shí)間內的連續錯誤)，而這種揉雜過(guò)程導致接收機需完整接受所有數據才能獲得信息，造成時(shí)延。在大規模天線(xiàn)下，得益于大數定理而產(chǎn)生的衰落消失，信道變得良好，對抗深度衰弱的過(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，與大規模天線(xiàn)形成完美匹配的是5G的另一項關(guān)鍵技術(shù)--毫米波。毫米波擁有豐富的帶寬，可是衰減強烈，而大規模天線(xiàn)的波束成形正好補足了其短板。

相關(guān)文章：《如何實(shí)現比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(xiàn)的潛力，基站端需要精確的信道信息，直觀(guān)理解即需事先知道不同目標客戶(hù)的位置。如何將與用戶(hù)間的這一信道信息精準地告訴每一根天線(xiàn)是一件很棘手的事情。

傳統通信系統通過(guò)手機監測基站發(fā)送的導頻 (導頻，即基站和手機端共同知曉的一段序列)，估計其信道并反饋給基站的做法在大規模天線(xiàn)中并不可行，因為基站天線(xiàn)數量眾多，手機在向基站反饋時(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稱(chēng)性，即通過(guò)手機向基站發(fā)送導頻，在基站端監測上行鏈路，基于信道對稱(chēng)性，推斷基站到手機端的下行鏈路信息。

其次，為了獲得上行鏈路信息，手機終端需向基站發(fā)送導頻，可是導頻數量總是有限的，這樣不可避免地需要在不同小區復用，從而會(huì )導致導頻干擾。理論推導表明，導頻干擾是限制大規模天線(xiàn)一劍破天的最終屏障。

另外，很多大規模天線(xiàn)波束成形的算法基于矩陣求逆運算，其復雜度隨天線(xiàn)數量和其同時(shí)服務(wù)的用戶(hù)數量上升而快速增加，導致硬件不能實(shí)時(shí)完成波束成形算法?？焖倬仃嚽竽嫠惴ㄊ枪タ诉@一難題的一條途徑。

為了克服這些挑戰，世界頂尖的研究機構和各大設備商正加緊原型機的研發(fā)。除了上面提到的美國萊斯大學(xué)的Argos原型機外，還有三星毫米波大規模天線(xiàn)原型機、瑞典隆德大學(xué)LuMaMi原型機、歐洲電信研究院(Eurecom)Open Air Interface大規模天線(xiàn)原型機、英國布里斯托大學(xué)原型機等。

筆者有幸成為挑戰這一科技難題的一員，參與搭建了Open Air Interface 64天線(xiàn)模型機。下圖是其微縮版本(微縮為16根天線(xiàn))，旨在展示我們對相關(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。