與毫米波完美配合的大規(guī)模天線陣列技術(shù):5G通信的殺手锏?

　　ICCSZ訊    這是最好的時代，也是最壞的時代。

　　生活在科技大爆發(fā)的時代里，你是否感覺到一絲慶幸? 虛擬現(xiàn)實、自動駕駛，無數(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，對于通信人而言卻是一場艱苦卓絕的戰(zhàn)斗?！　?/p>

　　眾說周知，無線通信依托于電磁波傳播，最寶貴的資源莫過于頻帶。為防止移動通信網(wǎng)、無線電視、廣播、軍用頻段等的相互干擾，每個國家都對無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，被視為優(yōu)質(zhì)頻帶資源，很多依托無線電的應(yīng)用都集中在這一頻段資源上，因此無比擁擠。

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

　　面對強(qiáng)烈需求，背靠緊缺資源，如何滿足科技爆發(fā)時代最底層速率的需求，為社會架起一條高速信息管道? “5G”正在給出答案。5G (Fifth Generation)，即第五代無線通信系統(tǒng)，是在走過模擬通信、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。

　　一個體系的革新?lián)Q代，其中必包含了無數(shù)的創(chuàng)新點，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(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，也將對通信行業(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，可以自動調(diào)節(jié)各個天線發(fā)射信號的相位，使其在手機(jī)接收點形成電磁波的疊加，從而達(dá)到提高接收信號強(qiáng)度的目的。

　　從基站方面看，這種利用數(shù)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方向圖的構(gòu)造，因此稱為”波束成形” (Beamforming)。通過這一技術(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，并且基站可以通過監(jiān)測用戶的信號，對其進(jìn)行實時跟蹤，使最佳發(fā)射方向跟隨用戶的移動，保證在任何時候手機(jī)接收點的電磁波信號都處于疊加狀態(tài)。

　　打個比方， 傳統(tǒng)通信就像燈泡，照亮整個房間，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?！　?/p>

普通全向天線，覆蓋所有區(qū)域　　

波速成形后的天線，將能量集中到一個方向

　　在實際應(yīng)用中，多天線的基站也可以同時瞄準(zhǔn)多個用戶，構(gòu)造朝向多個目標(biāo)客戶的不同波束，并有效減少各個波束之間的干擾。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，對幾十個目標(biāo)接收機(jī)調(diào)制各自的波束，通過空間信號隔離，在同一頻率資源上同時傳輸幾十條信號。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?guī)资兜靥嵘W(wǎng)絡(luò)容量。

　　大家可以從下圖中美國萊斯大學(xué)的大規(guī)模天線陣列原型機(jī)中看到由64個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搖通信底層?

　　大規(guī)模天線并不只是簡單地擴(kuò)增天線數(shù)量，因為量變可以引起質(zhì)變。依據(jù)大數(shù)定理和中心極限定理，樣本數(shù)趨向于無窮，均值趨向于期望值，而獨立隨機(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)過多條路徑傳播后在接收點可能相位相反，互相削弱，此時信道很有可能陷于很強(qiáng)的衰落，影響用戶接收到的信號質(zhì)量。而當(dāng)基站天線數(shù)量增多時，相對于用戶的幾百根天線就擁有了幾百個信道，他們相互獨立，同時陷入衰落的概率便大大減小，這對于通信系統(tǒng)而言變得簡單而易于處理。

　　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，因為有一堆天線同時發(fā)力，由波速成形形成的信號疊加增益將使得每根天線只需以小功率發(fā)射信號，從而避免使用昂貴的大動態(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通信成為可能。傳統(tǒng)通信系統(tǒng)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(xù)突發(fā)錯誤分散到各個不同的時間段上(交織器的目的即將不同時間段的信號揉雜, 從而分散某一短時間內(nèi)的連續(xù)錯誤)，而這種揉雜過程導(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，對抗深度衰弱的過程可以大大簡化，因此時延也可以大幅降低。

　　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。