5G通信與massive MIMO天線技術研究

汪常娥

（廣東通宇通訊股份有限公司，廣東 中山 528437）

1 移動通信發展歷程概述

我國移動通信歷經“2G跟蹤，3G突破，4G同步”各階段，于2016年1月成立互聯網會議（IEMeeting，IMT）2020（5G）推進組，從5G業務、頻率、無線傳輸與組網技術、評估測試驗證技術、標準化及知識產權等各方面，全面發力5G[1]。工信部為5G技術研發試驗規劃4個頻段：3.3～3.6 GHz，4.8～5.0 GHz，24.75～27.5 GHz，37`42.5 GHz[1]。國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）的5G愿景，5G將會面向3大場景：增強移動寬帶場景、低時延高可靠場景和大連接低功耗場景[1]?？紤]人口因素我國5G應用增加高密度覆蓋場景。國內外廠商在世界移動通信大會（Mobile World Congress，MWC）2015年會議上展示各自的5G進展后，5G迅速成為業界焦點，在全球如火如荼展開。

4G雖然解決了無線互聯有無問題，但無法滿足不了無人駕駛汽車、VR以及物聯網等的大數據業務，而5G恰逢其時，是面向2020年以后的移動通信需求的新一代通信系統。5G將會全面支持人與人、人與物、物與物的智能互聯。對消費者而言，5G價值在于其擁有比4G長期演進（Long Term Evolution，LTE）技術更快的速度（峰值速率可達幾十Gbps），如你可在1秒內下載一部高清電影，而4G LTE可能要10分鐘。

2 關鍵技術

5G技術相對4G優勢是全方位的，特別是毫米波、小基站、massive MIMO、全雙工、波束成形5大技術，其高性能、低時延、高容量特性尤其突出[2]。

2.1 毫米波

無線設備數量增加，頻譜資源稀缺，只能在窄頻譜上共享有限帶寬，極大地影響用戶體驗。5G通信采用毫米波（26.5～300 GHz）技術，通過增加帶寬來提升速率。28 GHz可用帶寬約為1 GHz，而60 GHz可用帶寬則為2 GHz。毫米波在提升帶寬與信號質量、覆蓋用戶方面的優勢突出。

2.2 小基站

未來5G通信不再依賴大型基站，而采用小型基站，可約250 m設置一小基站，每城市可部署數千個形成密集網絡。小基站從其他基站接收信號并向任何位置的用戶發送數據，覆蓋大基站無法觸及的末梢通信，且小基站的功耗也大大降低，從而降低成本。

2.3 massive MIMO

多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術已用在某些4G基站。用戶對數據需求呈現爆炸性增長，特別對實時數據的傳輸需求，約是4G LTE系統1 000倍的網絡容量、1 ms極低時延的大規模MIMO天線陣列系統被認為是5G最具潛力的傳輸技術[2]。massive MIMO技術集成更多天線形成大規模天線陣列，意味著基站可同時向更多用戶發送、接收信號，將網絡容量提升數十倍或更大。但多天線也帶來更多干擾，而波束成形是解決此問題的關鍵[3]。

2.4 波束成形

massive MIMO技術將每天線陣列上集成更多天線，控制發出的電磁波在空間互相抵消或增強形成窄波束，將有限能量集中在特定方向，使傳輸距離更遠，還可降低信號干擾，此方式稱為波束成形[3]。波束成形只瞄準相應的單用戶設備，大大降低能量損耗。波束成形技術固然能改善系統性能，增加接收距離，但同時也會增加設備成本和功耗。

2.5 全雙工

全雙工技術是指收發機同時工作在同一頻率上，突破頻分雙工（Frequency Division Duplex，FDD）和時分雙工（Time Division Duplex，TDD）模式，是5G所需的高吞吐量和低延遲的關鍵技術，可提升頻譜效率。但也帶來一些挑戰。接收和發送信號的功率差異大，導致自干擾嚴重，因此解決首要問題是自干擾的抵消[2]。目前對全雙工系統的分析大多是單小區、用戶數比較少、發射功率和傳輸距離小的情況，缺乏對多小區、大用戶數等條件下的研究成果，因此在多小區、大動態范圍下的全雙工的干擾消除技術以及與MIMO結合的技術等要深入研究的重要課題[2]。

3 massive MIMO天線技術介紹

3.1 massive MIMO—4G持續演進到5G

未來基站天線有兩大趨勢：（1）天線從無源到有源，意味著天線會智能化、小型化、定制化。為降低成本節省空間，要求天線是多頻段、寬頻段、多波束、massive MIMO的。（2）天線系統化設計，需考慮天線與系統兼容問題，而massive MIMO天線設計尤其重要。貝爾[3]實驗室于20世紀90年代提出多天線技術，3G時被引入無線通信領域，也是4G通信的鍵技術之一，后發展為大規模天線技術。

4G時代的massive MIMO技術已被認為是4G部署以來最有效的技術，它利用LTE TDD頻譜的優勢，在網絡性能方面獲得革命性突破：（1）采用massive MIMO頻譜效率比普通宏基站提高3～5倍，激勵運營商改變網建策略。（2）massive MIMO提高網絡覆蓋的靈活性，可利用其水平、垂直覆蓋特性來滿足不同場景下的覆蓋。（3）massive MIMO與4G終端兼容，且支持向5G網絡演進，提升現有投資的回報。

為滿足急速增長的話務需求，使4G保持連續演進，就要增加5G時代的天線數目，massive MIMO天線是未來5G信號傳輸的“高速公路”。在話務負荷高、數據業務量大的場合如市區CBD、商業中心等，massive MIMO可提供較高的空間復用增益，較強的波束賦形能力，滿足區域內的容量需求。高層建筑內的網絡覆蓋較差，為滿足話務需求，massive MIMO具有以下特性：垂直面采用大量天線陣列，增強高層覆蓋；采用波束賦形增益彌補穿透損耗；按需對波束寬度、方向調整，降低區間干擾，增強3D覆蓋和容量。

3.2 massive MIMO利弊共存

massive MIMO的優勢：（1）大幅提高網絡容量。在基站側配置眾多天線陣列，通過空間復用技術，在同一時頻資源上同時服務更多用戶，提升頻譜效率，滿足5G通信海量信息的傳輸需求。（2）大幅降低成本。一堆天線的疊加增益較高，降低每根天線發射功率，避免使用大動態范圍功放，降低成本。（3）提高發射效率。根據香農公式，將天線分組增加天線信道流數，提高公式第一項，就像是建起高架橋實現信號并行傳輸。（4）大幅降低時延，低延時通信成為可能。（5）與毫米波技術完美合作。5G的另一項關鍵技術—毫米波技術，其帶寬豐富，但衰減強烈，而波束成形技術正好補其短板[4]。

massive MIMO的弊端導致需要考慮以下問題：（1）如何降低不同功能模塊、不同頻段間的互擾。（2）如何去除MIMO系統的天線互耦。（3）如何去除天線和電路設計的相關性。（4）如何去除不同小區導頻干擾。（5）如何解決日益復雜的波束成形算法的硬件需求。為克服以上難點，世界各大機構都加緊研發原型機如美國萊斯大學的Argos原型機、三星毫米波大規模天線原型機、瑞典隆德大學LuMaMi原型機等[4-5]。

3.3 有源天線技術、TDD左膀右臂

有源天線是將有源器件與天線集成于一體，可實現電磁波產生、變換、發射和接收等系統功能的裝置，具有集成度高、便于控制下傾角和波瓣寬度且支持多天線技術特點[3]。在LTE/LTE-A時代，有源天線技術為提升容量和覆蓋范圍添磚加瓦；在5G時代，massive MIMO系統也必然使用此技術，有限的天線資源無法滿足massive MIMO系統需求，有源天線技術為其鋪平道路。例子：鐵塔頂端水平方向上安裝的8個700 MHz的天線單元，間距為半波長，水平長度為1.7 m；LTE采用32個2.5 GHz的天線單元，間距為半波長，水平長度為1.9 m[6]。

massive MIMO系統建議采用TDD方案，優勢突出。由于上下行信道的互易性，TDD基站可得到完整的非量化的下行信息，能適用于64個以上天線的波束賦形，從而能用波束賦形技術提升小區覆蓋和吞吐量，且TDD系統更靈活、準確調度多用戶，來增加系統容量[7-8]。而FDD基站僅通過UE反饋的碼本得到量化的信道信息，制約其波束賦形和調度靈活性[5]。此外，TDD massive MIMO系統無需升級現有的商用3GPP R8/R9 UE即可使用，便于從4G演進到5G網絡，節省升級成本[5，7]。

3.4 massive MIMO測試

測量massive MIMO天線陣列功率的要求不曾在傳統場合出現過，該測試使用無線下載（Over the Air，OTA）測試實現，主要測試參數包括增益圖、輻射功率、接收機靈敏度、收發器/接收器特征和波束控制/波束跟蹤，任一項都會影響OTA測量[9]。由于沒有專用天線端口或射頻端口，因此OTA測量系統須能夠獲取相位，以便轉換到遠場。兩種獲取相位的方法：（1）干涉測量：相位參考用已知相位的第二根天線。參考信號與含未知相位的被測設備信號混頻，信號后處理可獲得被測設備信號的相位，并用于近場到遠場的變換[9]。（2）多個面或探頭：相位參考用第二個面，兩個測量半徑間至少間隔一個波長，或用具有不同天線場特性的兩個探頭（兩探頭分開至少半個波長以減小互耦）來代替多個面[9]。

某廠家提供的5G測試場—單反射面的小型緊縮場系統（僅供參考）介紹如下：設計靜區大小設計為0.8 m，形狀為圓柱形；靜區測試距離為4 m；測試頻率范圍6～110 GHz；幅度錐削1.0 dB；幅度波動±0.5 dB（F＜40 GHz），±1.0 dB（F≥40 GHz）；相位波動10°（F＜18 GHz），10°（F≥40 GHz）；交叉極化-30 dB，反射面尺寸為2.0 m×2.0 m；暗室尺寸為8 m×4 m×4 m；主反射面吸波材料垂直入射反射率≤-55 dB，選擇高度為0.6 m高聚氨酯角錐吸波材料?？蓛灮鲜龇桨钢械母黜椫笜耍詽M足后期實際測試需求。

massive MIMO系統的射頻端口消失以及使用厘米波和毫米波頻率的特點，使得OTA測試成為表征massive MIMO陣列和內部收發器性能的必要手段，通過何種方式進行測試目前均未有清晰的技術途徑，3GPP標準也在技術研討中[9]。

4 結語

盡管5G的勢頭遠遠超過4G，但5G的未來仍充滿不確定性，現在需要將這些無線關鍵技術盡快完成實驗階段，并推向實用階段，預計2020年將其投入商用，可部分滿足未來移動互聯網的業務需求，并帶來新的業務體驗。目前massive MIMO技術在一些典型場景下得到驗證具有明顯優勢，此技術為4G網絡的演進和未來5G網絡的部署奠定堅實的基礎。隨著研究不斷深入，5G通信的關鍵技術將進一步明確，未來幾年將飛速發展。

[參考文獻]

[1]CMCC，Huawei，ZTE，等.大規模天線技術白皮書V0.1[EB/OL].（2017-02-06）[2018-03-01].http://gtigroup.org/.

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[4]許森，張光輝，曹磊.大規模多天線系統的技術展望[J].電信技術，2013（12）：25-28.

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[8]劉寧，袁宏偉.5G大規模天線系統研究現狀及發展趨勢[J].電子科技，2015（4）：182-185.

[9]羅德與施瓦茨公司.5G大規模MIMO天線陣列的3D OTA測試[J].通信與網絡，2017（3）：18-20.