技术背景及发展沿革详解

（1）技术背景

数据量的增长给无线网络信息传输带来巨大挑战。多天线技术作为一种增强通信系统的方法，自20世纪初就进入了研究者的视野。随着高速移动通信技术的演进，多天线技术的价值也越来越得到业内认可，开始在第四代移动通信（4G）网络技术演进中扮演重要角色。

1）多天线技术的作用

传统的无线通信系统只由单根天线完成信号的收发，这种系统称为单天线（单入单出）系统（SISO，Single Input Single Output），在此前提下，要增加数据传输率就必须提高有用信号功率或发射功率。然而，对单天线系统而言，纯粹地加大发射功率，不仅不利于人的健康，而且难以设计出可同时工作在很宽的线性范围内和很高的发射功率上的放大器，很自然地，多天线技术便进入了业内研发人员的视野。

在单入单出传输系统中，由于环境的复杂性，电磁波在空气中经过多条路径传播后可能会影响用户接收信号的质量。而当基站天线数量增多时，面向用户的几百根天线就相当于建立了几百个信道，它们相互独立，同时陷入衰落的概率便大大减小，这对于通信系统而言变得简单而易于处理。

因此，首先从能耗效率的角度看，多天线架构是在扩增了天线数量后，因量变而引起质变的一种新技术，它可以解决天线发射功率和发射效率的矛盾。

另一方面，从频谱效率的角度看，要提高频谱的利用率，可以通过增加接收端或者发射端的天线数量来解决，即采用单输入多输出（SIMO，Single Input Multiple Output）系统，或是采用多输入单输出（MISO，Multiple Input Single Output）系统，以增加分集增益，提高信道容量。SIMO和MISO的发展自然演变成为MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术，即在信号的收发两端分别配置多个天线单元。这样，在不增加功率和带宽的前提下，MIMO技术就可使得室内频谱效率达到20-40bit/s/Hz，极大地提高无线网络的频谱效率。

研究实验表明，在发射基站使用大规模天线系统（Large Scale Antenna System）可在不增加额外系统带宽的条件下获得较大的空间自由度，既能实现小区间空间的复用（Intra-Cell Spatial Multiplexing），也能抑制不同小区间的干扰（Inter-Cell Interference Mitigation），从而获得较高的无线通信性能。

2）大规模多天线技术的优势

2010年年底，贝尔实验室科学家Thomas L.Marzetta发现了一些与单小区、有限天线不同的特征，并提出大规模多天线系统（Massive MIMO）的概念。大规模多天线系统是一种从根本上挖掘利用空间无线资源，实现干扰抑制，从而达到更高的频谱效率和功率效率的方式。在引入有源天线阵列时，基站侧可支持的协作天线数量可达到128根。另外，原来的二维天线阵列拓展成为3D天线阵列，形成新颖的3D-MIMO技术，支持多用户波束智能赋型，减少用户间干扰，结合高频段毫米波技术，可进一步改善无线信号覆盖性能。

采用MIMO技术的天线可以分散在小区内以分布式网格实现，也可以在基站端以大规模阵列方式集中放置。前者将几十甚至数百根天线分布在某个空间范围之内，这种方式对于传统大规模天线更易于部署，能更灵活地设计天线形态，获得更高的频谱效率等，但是在实际使用过程需要考虑到天线尺寸、安装等问题。后者在基站端采用超大规模天线阵列（天线数量往往在一百根以上）。为便于表述，将上述分布式网格或大规模阵列排布架构及其对应的无线通信技术统称为大规模多天线技术，这种在基站端采用众多数量天线的架构就是大规模天线阵列系统。

采用大规模多天线技术的通信系统具有容量大、基站发射功率低、射频模块可移植性强和射频器件成本低等特点，并具有几个方面的明显优势：

▲可提高系统容量、频谱效率和能量效率：提供丰富的空间自由度，支持空分多址，基站能利用相同的时频资源为数十个移动终端提供接入服务；利用波束成形（Beam Forming，BF）技术发送信号具有良好的指向性，空间干扰小；利用天线增益降低发射功率、提高系统能效、减小电磁污染。

图3-1　大规模MIMO系统中发射天线数量（单位：根）对信道系统容量的提升情况

资料来源：大尺度MIMO传输技术研究（容丽萍）

▲可降低硬件成本，提高系统鲁棒性：总发射功率固定，单根天线发射功率很小，选用低成本功放即可满足要求，可以极大地降低硬件成本；部分阵元故障不会对通信性能造成严重影响，系统具有较高的鲁棒性。

▲可提高数据传输可靠性：波束形成器获得的电波空间指向性可以抑制多径效应、阴影效应造成的衰落，降低数据传输差错率。

典型的大规模多天线无线传输系统架构原理如图3-2所示：(www.xing528.com)

图3-2　大规模多天线无线通信系统的架构原理

资料来源：面向5G的大规模天线无线传输理论与技术（王东明，张余等）

（2）技术发展沿革

1）多天线技术的基础理论

多天线技术的演进，最早可以追溯到20世纪初。1908年，为对抗无线信道衰落，马可尼（Marconi）提出MIMO技术的概念。

到了20世纪90年代，AT&T Bell实验室的研究人员开始对该技术进行推广。1995年Teladar给出了在衰落情况下的MIMO容量；1996年Foshinia给出了一种多入多出处理算法—“对角-贝尔实验室分层空时算法”（BLAST，Bell-Laboratories layered space-time）；1998年Tarokh等讨论了用于多入多出的空时码；1998年Wolniansky等人采用“垂直-贝尔实验室分层空时算法”（V-BLAST）建立了一个MIMO实验系统，其系统可达频谱利用率为25.9bit/s/Hz。

2）多天线技术的集成化和商用化

2002年10月，朗讯公司贝尔实验室成功研制出全球第一款采用MIMO技术的BLAST芯片，支持最高4×4多入多出天线系统，其传输数据速率最高可达19.2Mbps。该公司也完成了曼哈顿城市环境下的MIMO天线测试，在信噪比为10dB的情况下，测得的信道容量为35bit/s/Hz。

2003年8月，Airgo Networks推出了采用多输入多输出技术的芯片组“AGN100Wi-Fi”，可将Wi-Fi速率提高到108Mbps，该公司称其芯片组是世界上第一款集成MIMO技术的批量上市产品。

2012年，由美国莱斯大学（Rice University）和贝尔实验室合作搭建的第一版Argos验证系统在基站侧最多可配置64根天线，在室内环境下可同时服务15个单天线用户。2013年第二版验证系统将基站侧天线扩展到96根，同时支持32个数据流的传输。Argos系统的主要组件包括：WARP（Wireless open Access Research Platform）模块、时钟分发板、中央控制器、以太网交换机。Argos系统层次式和模块化的设计使其具有良好的可扩展性。例如，在Argos交换机处增加WARP模块，即可增加基站侧发送天线数；在下行传输过程中，利用改进的加权波束形成器将数据的波束，通过层次分配，将计算量均分到各个模板从而减轻整体计算复杂度；通过通道校准算法对内部进行校正，使得信道状态信息（CSI，Channel State Information）估计开销与天线个数无关。

图3-3　美国莱斯大学Argos大规模天线阵列原型机^[1]

2014年9月，华为技术有限公司联合中国移动演示了全新预商用AAU（有源天线射频单元）平台，这是业界第一款支持Massive MIMO特性的基站产品，也是最大规格的Massive MIMO多天线系统，可支持中国移动主流频段，而且可兼容现有的终端，应用后系统容量可提升数倍。该联合演示的Massive MIMO系统支持3D-MIMO技术，在水平面和垂直面均可实现波束赋形。多个用户级波束在空间上三维赋型，可避免相互之间的干扰，大大提升系统级容量。同时，该系统还可通过模块拼装实现更大规模的多天线矩阵。中国移动和华为在Massive MIMO技术上发挥各自特长，联合攻克了包括多通道IRF技术、空口性能算法、高复杂度基带处理技术、多用户调度和干扰控制技术、超薄高增益天线技术、轻量化新材料新工艺、高效散热技术、站点部署等多个技术难题。

对于发射端的天线，其配置的数量可以根据实际需求而定。而对于用户手中的终端而言，则受到体积、重量、功耗等诸多限制，所以配置的天线数量一般都较少。例如，华为公司为了提升移动终端的射频性能，在Mate 10系列智能手机集成了4根天线。

3）多天线技术的长期演进

由于多天线技术对无线频谱资源所起到的显著作用，从LTE（Long Term Evolution，长期演进）开始阶段的3GPP LTE Release 10版本，多天线技术就成为整个LTE移动通信网络的一部分。MIMO技术是在第三代移动通信系统（3G）向LTE演进中被引入的，它和正交频分复用技术（OFDM）相结合在LTE中起到了巨大的作用。3GPP LTE Release的后续版本也一直保持对该技术的演进。4G系统采用的多天线技术是智能天线技术和MIMO技术的结合，两者使4G在不占用额外的频谱和传输功率的前提下大大增加了传输速率和传输的可靠性。

目前，多天线技术经历了从无源到有源，从二维（2D）到三维（3D），从高阶MIMO到大规模阵列系统的发展，将有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高。据专家预测，下一代移动通信系统5G（IMT-2020）将使用大规模天线技术。大规模天线技术引入将使5G系统的传输速率大大提升，它将是5G通信中具有革命性的技术之一。