5G通信与massive MIMO天线技术研究

汪常娥

（广东通宇通讯股份有限公司，广东 中山 528437）

1 移动通信发展历程概述

我国移动通信历经“2G跟踪，3G突破，4G同步”各阶段，于2016年1月成立互联网会议（IEMeeting，IMT）2020（5G）推进组，从5G业务、频率、无线传输与组网技术、评估测试验证技术、标准化及知识产权等各方面，全面发力5G[1]。工信部为5G技术研发试验规划4个频段：3.3～3.6 GHz，4.8～5.0 GHz，24.75～27.5 GHz，37`42.5 GHz[1]。国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）的5G愿景，5G将会面向3大场景：增强移动宽带场景、低时延高可靠场景和大连接低功耗场景[1]。考虑人口因素我国5G应用增加高密度覆盖场景。国内外厂商在世界移动通信大会（Mobile World Congress，MWC）2015年会议上展示各自的5G进展后，5G迅速成为业界焦点，在全球如火如荼展开。

4G虽然解决了无线互联有无问题，但无法满足不了无人驾驶汽车、VR以及物联网等的大数据业务，而5G恰逢其时，是面向2020年以后的移动通信需求的新一代通信系统。5G将会全面支持人与人、人与物、物与物的智能互联。对消费者而言，5G价值在于其拥有比4G长期演进（Long Term Evolution，LTE）技术更快的速度（峰值速率可达几十Gbps），如你可在1秒内下载一部高清电影，而4G LTE可能要10分钟。

2 关键技术

5G技术相对4G优势是全方位的，特别是毫米波、小基站、massive MIMO、全双工、波束成形5大技术，其高性能、低时延、高容量特性尤其突出[2]。

2.1 毫米波

无线设备数量增加，频谱资源稀缺，只能在窄频谱上共享有限带宽，极大地影响用户体验。5G通信采用毫米波（26.5～300 GHz）技术，通过增加带宽来提升速率。28 GHz可用带宽约为1 GHz，而60 GHz可用带宽则为2 GHz。毫米波在提升带宽与信号质量、覆盖用户方面的优势突出。

2.2 小基站

未来5G通信不再依赖大型基站，而采用小型基站，可约250 m设置一小基站，每城市可部署数千个形成密集网络。小基站从其他基站接收信号并向任何位置的用户发送数据，覆盖大基站无法触及的末梢通信，且小基站的功耗也大大降低，从而降低成本。

2.3 massive MIMO

多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术已用在某些4G基站。用户对数据需求呈现爆炸性增长，特别对实时数据的传输需求，约是4G LTE系统1 000倍的网络容量、1 ms极低时延的大规模MIMO天线阵列系统被认为是5G最具潜力的传输技术[2]。massive MIMO技术集成更多天线形成大规模天线阵列，意味着基站可同时向更多用户发送、接收信号，将网络容量提升数十倍或更大。但多天线也带来更多干扰，而波束成形是解决此问题的关键[3]。

2.4 波束成形

massive MIMO技术将每天线阵列上集成更多天线，控制发出的电磁波在空间互相抵消或增强形成窄波束，将有限能量集中在特定方向，使传输距离更远，还可降低信号干扰，此方式称为波束成形[3]。波束成形只瞄准相应的单用户设备，大大降低能量损耗。波束成形技术固然能改善系统性能，增加接收距离，但同时也会增加设备成本和功耗。

2.5 全双工

全双工技术是指收发机同时工作在同一频率上，突破频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）和时分双工（Time Division Duplex，TDD）模式，是5G所需的高吞吐量和低延迟的关键技术，可提升频谱效率。但也带来一些挑战。接收和发送信号的功率差异大，导致自干扰严重，因此解决首要问题是自干扰的抵消[2]。目前对全双工系统的分析大多是单小区、用户数比较少、发射功率和传输距离小的情况，缺乏对多小区、大用户数等条件下的研究成果，因此在多小区、大动态范围下的全双工的干扰消除技术以及与MIMO结合的技术等要深入研究的重要课题[2]。

3 massive MIMO天线技术介绍

3.1 massive MIMO—4G持续演进到5G

未来基站天线有两大趋势：（1）天线从无源到有源，意味着天线会智能化、小型化、定制化。为降低成本节省空间，要求天线是多频段、宽频段、多波束、massive MIMO的。（2）天线系统化设计，需考虑天线与系统兼容问题，而massive MIMO天线设计尤其重要。贝尔[3]实验室于20世纪90年代提出多天线技术，3G时被引入无线通信领域，也是4G通信的键技术之一，后发展为大规模天线技术。

4G时代的massive MIMO技术已被认为是4G部署以来最有效的技术，它利用LTE TDD频谱的优势，在网络性能方面获得革命性突破：（1）采用massive MIMO频谱效率比普通宏基站提高3～5倍，激励运营商改变网建策略。（2）massive MIMO提高网络覆盖的灵活性，可利用其水平、垂直覆盖特性来满足不同场景下的覆盖。（3）massive MIMO与4G终端兼容，且支持向5G网络演进，提升现有投资的回报。

为满足急速增长的话务需求，使4G保持连续演进，就要增加5G时代的天线数目，massive MIMO天线是未来5G信号传输的“高速公路”。在话务负荷高、数据业务量大的场合如市区CBD、商业中心等，massive MIMO可提供较高的空间复用增益，较强的波束赋形能力，满足区域内的容量需求。高层建筑内的网络覆盖较差，为满足话务需求，massive MIMO具有以下特性：垂直面采用大量天线阵列，增强高层覆盖；采用波束赋形增益弥补穿透损耗；按需对波束宽度、方向调整，降低区间干扰，增强3D覆盖和容量。

3.2 massive MIMO利弊共存

massive MIMO的优势：（1）大幅提高网络容量。在基站侧配置众多天线阵列，通过空间复用技术，在同一时频资源上同时服务更多用户，提升频谱效率，满足5G通信海量信息的传输需求。（2）大幅降低成本。一堆天线的叠加增益较高，降低每根天线发射功率，避免使用大动态范围功放，降低成本。（3）提高发射效率。根据香农公式，将天线分组增加天线信道流数，提高公式第一项，就像是建起高架桥实现信号并行传输。（4）大幅降低时延，低延时通信成为可能。（5）与毫米波技术完美合作。5G的另一项关键技术—毫米波技术，其带宽丰富，但衰减强烈，而波束成形技术正好补其短板[4]。

massive MIMO的弊端导致需要考虑以下问题：（1）如何降低不同功能模块、不同频段间的互扰。（2）如何去除MIMO系统的天线互耦。（3）如何去除天线和电路设计的相关性。（4）如何去除不同小区导频干扰。（5）如何解决日益复杂的波束成形算法的硬件需求。为克服以上难点，世界各大机构都加紧研发原型机如美国莱斯大学的Argos原型机、三星毫米波大规模天线原型机、瑞典隆德大学LuMaMi原型机等[4-5]。

3.3 有源天线技术、TDD左膀右臂

有源天线是将有源器件与天线集成于一体，可实现电磁波产生、变换、发射和接收等系统功能的装置，具有集成度高、便于控制下倾角和波瓣宽度且支持多天线技术特点[3]。在LTE/LTE-A时代，有源天线技术为提升容量和覆盖范围添砖加瓦；在5G时代，massive MIMO系统也必然使用此技术，有限的天线资源无法满足massive MIMO系统需求，有源天线技术为其铺平道路。例子：铁塔顶端水平方向上安装的8个700 MHz的天线单元，间距为半波长，水平长度为1.7 m；LTE采用32个2.5 GHz的天线单元，间距为半波长，水平长度为1.9 m[6]。

massive MIMO系统建议采用TDD方案，优势突出。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，能适用于64个以上天线的波束赋形，从而能用波束赋形技术提升小区覆盖和吞吐量，且TDD系统更灵活、准确调度多用户，来增加系统容量[7-8]。而FDD基站仅通过UE反馈的码本得到量化的信道信息，制约其波束赋形和调度灵活性[5]。此外，TDD massive MIMO系统无需升级现有的商用3GPP R8/R9 UE即可使用，便于从4G演进到5G网络，节省升级成本[5，7]。

3.4 massive MIMO测试

测量massive MIMO天线阵列功率的要求不曾在传统场合出现过，该测试使用无线下载（Over the Air，OTA）测试实现，主要测试参数包括增益图、辐射功率、接收机灵敏度、收发器/接收器特征和波束控制/波束跟踪，任一项都会影响OTA测量[9]。由于没有专用天线端口或射频端口，因此OTA测量系统须能够获取相位，以便转换到远场。两种获取相位的方法：（1）干涉测量：相位参考用已知相位的第二根天线。参考信号与含未知相位的被测设备信号混频，信号后处理可获得被测设备信号的相位，并用于近场到远场的变换[9]。（2）多个面或探头：相位参考用第二个面，两个测量半径间至少间隔一个波长，或用具有不同天线场特性的两个探头（两探头分开至少半个波长以减小互耦）来代替多个面[9]。

某厂家提供的5G测试场—单反射面的小型紧缩场系统（仅供参考）介绍如下：设计静区大小设计为0.8 m，形状为圆柱形；静区测试距离为4 m；测试频率范围6～110 GHz；幅度锥削1.0 dB；幅度波动±0.5 dB（F＜40 GHz），±1.0 dB（F≥40 GHz）；相位波动10°（F＜18 GHz），10°（F≥40 GHz）；交叉极化-30 dB，反射面尺寸为2.0 m×2.0 m；暗室尺寸为8 m×4 m×4 m；主反射面吸波材料垂直入射反射率≤-55 dB，选择高度为0.6 m高聚氨酯角锥吸波材料。可优化上述方案中的各项指标，以满足后期实际测试需求。

massive MIMO系统的射频端口消失以及使用厘米波和毫米波频率的特点，使得OTA测试成为表征massive MIMO阵列和内部收发器性能的必要手段，通过何种方式进行测试目前均未有清晰的技术途径，3GPP标准也在技术研讨中[9]。

4 结语

尽管5G的势头远远超过4G，但5G的未来仍充满不确定性，现在需要将这些无线关键技术尽快完成实验阶段，并推向实用阶段，预计2020年将其投入商用，可部分满足未来移动互联网的业务需求，并带来新的业务体验。目前massive MIMO技术在一些典型场景下得到验证具有明显优势，此技术为4G网络的演进和未来5G网络的部署奠定坚实的基础。随着研究不断深入，5G通信的关键技术将进一步明确，未来几年将飞速发展。

[参考文献]

[1]CMCC，Huawei，ZTE，等.大规模天线技术白皮书V0.1[EB/OL].（2017-02-06）[2018-03-01].http://gtigroup.org/.

[2]尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学：信息科学，2014（5）：551-563.

[3]张筵.浅析5G移动通信技术及未来发展趋势[J].中国新通信，2014（20）：2-3.

[4]许森，张光辉，曹磊.大规模多天线系统的技术展望[J].电信技术，2013（12）：25-28.

[5]鲁照华，张晓丹，肖华华，等.大规模天线阵列系统技术探析[J].电视技术，2014（5）：132-135.

[6]夏威，刘冰华.5G概述及关键技术简介[J].电脑与电信，2014（8）：51-52.

[7]粟欣，曾捷，容丽萍，等.大型MIMO关键技术投资研究[J].电脑技术与研究，2013（3）：35-38.

[8]刘宁，袁宏伟.5G大规模天线系统研究现状及发展趋势[J].电子科技，2015（4）：182-185.

[9]罗德与施瓦茨公司.5G大规模MIMO天线阵列的3D OTA测试[J].通信与网络，2017（3）：18-20.