姓名：馬行健
學(xué)號：16020199036
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嵌牛導(dǎo)讀：生活在科技大爆發(fā)的時代里纱新，你是否感覺到一絲慶幸? 虛擬現(xiàn)實(shí)兢交、自動駕駛桩砰，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(shí)的邊界，并深刻地改變著我們觸碰和認(rèn)知世界的方式。
嵌牛鼻子：天線，5G
嵌牛原文：
這是最好的時代坎拐，也是最壞的時代。
生活在科技大爆發(fā)的時代里养匈，你是否感覺到一絲慶幸? 虛擬現(xiàn)實(shí)哼勇、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)呕乎，模糊了虛擬和現(xiàn)實(shí)的邊界积担，并深刻地改變著我們觸碰和認(rèn)知世界的方式。
而這猬仁，對于通信人而言卻是一場艱苦卓絕的戰(zhàn)斗帝璧。
眾說周知，無線通信依托于電磁波傳播湿刽，最寶貴的資源莫過于頻帶的烁。為防止移動通信網(wǎng)、無線電視诈闺、廣播渴庆、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)格的劃分雅镊。根據(jù)電磁波在空氣中傳播的特性襟雷，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)仁烹，被視為優(yōu)質(zhì)頻帶資源耸弄，很多依托無線電的應(yīng)用都集中在這一頻段資源上，因此無比擁擠晃危。
另一方面叙赚，用戶對移動通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)需求正呈現(xiàn)爆發(fā)性的增長老客，特別是需要實(shí)時傳輸大量數(shù)據(jù)的無線應(yīng)用僚饭，如視頻直播、高清電話會議胧砰、虛擬現(xiàn)實(shí)游戲等鳍鸵，對網(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) 又對通信的可靠性和時延提出了極為苛刻的要求尉间，此類應(yīng)用包括工業(yè)自動化偿乖，車輛通信等击罪。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)烈需求贪薪，背靠緊缺資源媳禁，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”正在給出答案画切。5G (Fifth Generation)竣稽，即第五代無線通信系統(tǒng)，是在走過模擬通信霍弹、第二代毫别、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典格。
一個體系的革新?lián)Q代岛宦，其中必包含了無數(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)，5G也是如此耍缴。本文中筆者將與你分享其間的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)砾肺，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)私恬，也將對通信行業(yè)產(chǎn)成深遠(yuǎn)的影響债沮，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)本鸣。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疫衩，而在波束成形技術(shù)中，基站端擁有多根天線荣德，可以自動調(diào)節(jié)各個天線發(fā)射信號的相位闷煤，使其在手機(jī)接收點(diǎn)形成電磁波的疊加，從而達(dá)到提高接收信號強(qiáng)度的目的涮瞻。
從基站方面看鲤拿，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)署咽。通過這一技術(shù)近顷，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)散宁否，并且基站可以通過監(jiān)測用戶的信號窒升，對其進(jìn)行實(shí)時跟蹤，使最佳發(fā)射方向跟隨用戶的移動慕匠，保證在任何時候手機(jī)接收點(diǎn)的電磁波信號都處于疊加狀態(tài)饱须。
打個比方，傳統(tǒng)通信就像燈泡台谊，照亮整個房間蓉媳，而波速成形就像手電筒譬挚，光亮可以智能地匯集到目標(biāo)位置上。
普通全向天線酪呻，覆蓋所有區(qū)域
波速成形后的天線减宣，將能量集中到一個方向
在實(shí)際應(yīng)用中，多天線的基站也可以同時瞄準(zhǔn)多個用戶玩荠，構(gòu)造朝向多個目標(biāo)客戶的不同波束蚪腋，并有效減小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姨蟋，是大規(guī)模天線的基礎(chǔ)所在屉凯。
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眼溶，對幾十個目標(biāo)接收機(jī)調(diào)制各自的波束悠砚，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堂飞。這種對空間資源的充分挖掘灌旧，可以有效利用寶貴而稀缺的頻帶資源，并且成幾十倍地提升網(wǎng)絡(luò)容量绰筛。
讀者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枢泰，這很好地展示了大規(guī)模天線系統(tǒng)的雛形。
大規(guī)模天線陣列為何能動搖通信底層铝噩？
大規(guī)模天線并不只是簡單地?cái)U(kuò)增天線數(shù)量衡蚂，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骏庸，樣本數(shù)趨向于無窮毛甲，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)分布具被。隨機(jī)變量趨于穩(wěn)定玻募，這正是”大”的美。
在單天線對單天線的傳輸系統(tǒng)中一姿，由于環(huán)境的復(fù)雜性七咧，電磁波在空氣中經(jīng)過多條路徑傳播后在接收點(diǎn)可能相位相反，互相削弱叮叹，此時信道很有可能陷于很強(qiáng)的衰落艾栋，影響用戶接收到的信號質(zhì)量。而當(dāng)基站天線數(shù)量增多時衬横，相對于用戶的幾百根天線就擁有了幾百個信道裹粤，他們相互獨(dú)立终蒂，同時陷入衰落的概率便大大減小蜂林，這對于通信系統(tǒng)而言變得簡單而易于處理遥诉。
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)容量噪叙。第二矮锈，因?yàn)橛幸欢烟炀€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)射信號睁蕾，從而避免使用昂貴的大動態(tài)范圍功率放大器苞笨，減少了硬件成本。第三子眶，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瀑凝。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臭杰，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)粤咪，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，造成時延渴杆。在大規(guī)模天線下寥枝，得益于大數(shù)定理而產(chǎn)生的衰落消失，信道變得良好磁奖，對抗深度衰弱的過程可以大大簡化囊拜，因此時延也可以大幅降低。
值得一提的是比搭，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)--毫米波冠跷。毫米波擁有豐富的帶寬，可是衰減強(qiáng)烈身诺，而大規(guī)模天線的波束成形正好補(bǔ)足了其短板蔽莱。
正在解決的瓶頸問題
首先，想要發(fā)揮所有天線的潛力戚长，基站端需要精確的信道信息盗冷，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同廉。傳統(tǒng)通信系統(tǒng)通過手機(jī)監(jiān)測基站發(fā)送的導(dǎo)頻 (導(dǎo)頻仪糖，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)模天線中并不可行迫肖，因?yàn)榛咎炀€數(shù)量眾多锅劝，手機(jī)在向基站反饋時所需消耗的上行鏈路資源過于龐大。目前蟆湖，最可行的方案是基于時分雙工(TDD)的上行和下行鏈路的信道對稱性故爵，即通過手機(jī)向基站發(fā)送導(dǎo)頻，在基站端監(jiān)測上行鏈路隅津，基于信道對稱性诬垂，推斷基站到手機(jī)端的下行鏈路信息劲室。
其次，為了獲得上行鏈路信息结窘，手機(jī)終端需向基站發(fā)送導(dǎo)頻很洋，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)用隧枫，從而會導(dǎo)致導(dǎo)頻干擾喉磁。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官脓。
另外协怒，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)量和其同時服務(wù)的用戶數(shù)量上升而快速增加卑笨，導(dǎo)致硬件不能實(shí)時完成波束成形算法斤讥。快速矩陣求逆算法是攻克這一難題的一條途徑湾趾。
為了克服這些挑戰(zhàn)芭商，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萊斯大學(xué)的Argos原型機(jī)外搀缠，還有三星毫米波大規(guī)模天線原型機(jī)铛楣、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)艺普、英國布里斯托大學(xué)原型機(jī)等簸州。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)歧譬。下圖是其微縮版本（微縮為16根天線）岸浑，旨在展示我們對相關(guān)技術(shù)瓶頸的解決方案，在上個月的歐洲網(wǎng)絡(luò)與通信研究大會上收到了良好反響瑰步。
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