這是最好的時代

，也是最壞的時代。

　　

生活在科技大爆發的時代裏，你是否感覺到一絲慶幸? 虛擬現實、自動駕駛，無數令人血脈僨張的新型應用正在井噴式地爆發
，模糊了虛擬和現實的邊界
，並深刻地改變著我們觸碰和認知世界的方式。

　　

而這
，對於通信人而言卻是一場艱苦卓絕的戰鬥。

　　

眾說周知，無線通信依托於電磁波傳播，最寶貴的資源莫過於頻帶。為防止移動通信網
、無線電視、廣播、軍用頻段等的相互幹擾
，每個國家都對無線頻段的使用做出了嚴格的劃分。根據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、穿透力強等優點，被視為優質頻帶資源，很多依托無線電的應用都集中在這一頻段資源上，因此無比擁擠。

　　

另一方麵，用戶對移動通信網的數據需求正呈現爆發性的增長


，特別是需要實時傳輸大量數據的無線應用
，如視頻直播、高清電話會議、虛擬現實遊戲等，對網絡容量是嚴峻的考驗。而“關鍵型任務機器通信” (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，此類應用包括工業自動化、車輛通信等。1000倍於4G LTE係統的網絡容量和1毫秒極低時延已逐漸成為業界對下一代無線通信網要求的共識。

　　

麵對強烈需求
，背靠緊缺資源
，如何滿足科技爆發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)，即第五代無線通信係統
，是在走過模擬通信
、第二代、第三代和正在經曆的第四代LTE係統之後，通信人正在攀登的另一座高峰。

　　

一個體係的革新換代，其中必包含了無數的創新點，5G也(ye)是(shi)如(ru)此(ci)。筆(bi)者(zhe)將(jiang)與(yu)你(ni)分(fen)享(xiang)其(qi)間(jian)的(de)一(yi)項(xiang)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)，大(da)規(gui)模(mo)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)。它(ta)的(de)應(ying)用(yong)不(bu)單(dan)可(ke)以(yi)大(da)幅(fu)度(du)提(ti)升(sheng)網(wang)絡(luo)容(rong)量(liang)和(he)用(yong)戶(hu)體(ti)驗(yan)，也(ye)將(jiang)對(dui)通(tong)信(xin)行(xing)業(ye)產(chan)成(cheng)深(shen)遠(yuan)的(de)影(ying)響(xiang)
，1分鍾下載一部高清電影的時代已經離我們不遠了。

　　

　　

lijiedaguimotianxianshouxianxuyaolejieboshuchengxingjishu。chuantongtongxinfangshishijizhanyushoujijiandantianxiandaodantianxiandediancibochuanbo，erzaiboshuchengxingjishuzhong，jizhanduanyongyouduogentianxian，keyizidongtiaojiegegetianxianfashexinhaodexiangwei，shiqizaishoujijieshoudianxingchengdiancibodediejia
，congerdadaotigaojieshouxinhaoqiangdudemude。

　　

從基站方麵看
，這種利用數字信號處理產生的疊加效果就如同完成了基站端虛擬天線方向圖的構造
，因此稱為”波束成形” (Beamforming)。通(tong)過(guo)這(zhe)一(yi)技(ji)術(shu)，發(fa)射(she)能(neng)量(liang)可(ke)以(yi)彙(hui)集(ji)到(dao)用(yong)戶(hu)所(suo)在(zai)位(wei)置(zhi)，而(er)不(bu)向(xiang)其(qi)他(ta)方(fang)向(xiang)擴(kuo)散(san)，並(bing)且(qie)基(ji)站(zhan)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)監(jian)測(ce)用(yong)戶(hu)的(de)信(xin)號(hao)
，對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)實(shi)時(shi)跟(gen)蹤(zong)，使(shi)最(zui)佳(jia)發(fa)射(she)方(fang)向(xiang)跟(gen)隨(sui)用(yong)戶(hu)的(de)移(yi)動(dong)，保(bao)證(zheng)在(zai)任(ren)何(he)時(shi)候(hou)手(shou)機(ji)接(jie)收(shou)點(dian)的(de)電(dian)磁(ci)波(bo)信(xin)號(hao)都(dou)處(chu)於(yu)疊(die)加(jia)狀(zhuang)態(tai)。

　　

打個比方
，傳統通信就像燈泡，照亮整個房間，而波速成形就像手電筒，光亮可以智能地彙集到目標位置上。

　　

 

 

在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)，多(duo)天(tian)線(xian)的(de)基(ji)站(zhan)也(ye)可(ke)以(yi)同(tong)時(shi)瞄(miao)準(zhun)多(duo)個(ge)用(yong)戶(hu)，構(gou)造(zao)朝(chao)向(xiang)多(duo)個(ge)目(mu)標(biao)客(ke)戶(hu)的(de)不(bu)同(tong)波(bo)束(shu)，並(bing)有(you)效(xiao)減(jian)少(shao)各(ge)個(ge)波(bo)束(shu)之(zhi)間(jian)的(de)幹(gan)擾(rao)。這(zhe)種(zhong)多(duo)用(yong)戶(hu)的(de)波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)在(zai)空(kong)間(jian)上(shang)有(you)效(xiao)地(di)分(fen)離(li)了(le)不(bu)同(tong)用(yong)戶(hu)間(jian)的(de)電(dian)磁(ci)波(bo)
，是(shi)大(da)規(gui)模(mo)天(tian)線(xian)的(de)基(ji)礎(chu)所(suo)在(zai)。

　　

 

　　

daguimotianxianzhenliezhengshijiyuduoyonghuboshuchengxingdeyuanli，zaijizhanduanbuzhijibaigentianxian

，duijishigemubiaojieshoujitiaozhigezideboshu
，tongguokongjianxinhaogeli，zaitongyipinlvziyuanshangtongshichuanshujishitiaoxinhao。zhezhongduikongjianziyuandechongfenwajue，keyiyouxiaoliyongbaoguierxiquedepindaiziyuan，bingqiejishibeiditishengwangluorongliang。

　　

大家可以從下圖中美國萊斯大學的大規模天線陣列原型機中看到由64個小天線組成的天線陣列，這很好地展示了大規模天線係統的雛形。

　　

美國萊斯大學 Argos 大規模天線陣列原型機

 

　　

大da規gui模mo天tian線xian並bing不bu隻zhi是shi簡jian單dan地di擴kuo增zeng天tian線xian數shu量liang
，因yin為wei量liang變bian可ke以yi引yin起qi質zhi變bian。依yi據ju大da數shu定ding理li和he中zhong心xin極ji限xian定ding理li，樣yang本ben數shu趨qu向xiang於yu無wu窮qiong
，均jun值zhi趨qu向xiang於yu期qi望wang值zhi
，而er獨du立li隨sui機ji變bian量liang的de均jun值zhi分fen布bu趨qu向xiang於yu正zheng態tai分fen布bu。隨sui機ji變bian量liang趨qu於yu穩wen定ding
，這zhe正zheng是shi“大”的美。

　　

在zai單dan天tian線xian對dui單dan天tian線xian的de傳chuan輸shu係xi統tong中zhong
，由you於yu環huan境jing的de複fu雜za性xing，電dian磁ci波bo在zai空kong氣qi中zhong經jing過guo多duo條tiao路lu徑jing傳chuan播bo後hou在zai接jie收shou點dian可ke能neng相xiang位wei相xiang反fan，互hu相xiang削xue弱ruo
，此ci時shi信xin道dao很hen有you可ke能neng陷xian於yu很hen強qiang的de衰shuai落luo
，影ying響xiang用yong戶hu接jie收shou到dao的de信xin號hao質zhi量liang。而er當dang基ji站zhan天tian線xian數shu量liang增zeng多duo時shi
，相xiang對dui於yu用yong戶hu的de幾ji百bai根gen天tian線xian就jiu擁yong有you了le幾ji百bai個ge信xin道dao
，他ta們men相xiang互hu獨du立li，同tong時shi陷xian入ru衰shuai落luo的de概gai率lv便bian大da大da減jian小xiao
，這zhe對dui於yu通tong信xin係xi統tong而er言yan變bian得de簡jian單dan而er易yi於yu處chu理li。

　　

　　

第一，當然是大幅度提高網絡容量。

　　

dier，yinweiyouyiduitianxiantongshifali

，youbosuchengxingxingchengdexinhaodiejiazengyijiangshidemeigentianxianzhixuyixiaogonglvfashexinhao，congerbimianshiyongangguidedadongtaifanweigonglvfangdaqi
，jianshaoleyingjianchengben。

　　

第di三san，大da數shu定ding律lv造zao就jiu的de平ping坦tan衰shuai落luo信xin道dao使shi得de低di延yan時shi通tong信xin成cheng為wei可ke能neng。傳chuan統tong通tong信xin係xi統tong為wei了le對dui抗kang信xin道dao的de深shen度du衰shuai落luo，需xu要yao使shi用yong信xin道dao編bian碼ma和he交jiao織zhi器qi，將jiang由you深shen度du衰shuai落luo引yin起qi的de連lian續xu突tu發fa錯cuo誤wu分fen散san到dao各ge個ge不bu同tong的de時shi間jian段duan上shang（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的連續錯誤），而(er)這(zhe)種(zhong)揉(rou)雜(za)過(guo)程(cheng)導(dao)致(zhi)接(jie)收(shou)機(ji)需(xu)完(wan)整(zheng)接(jie)受(shou)所(suo)有(you)數(shu)據(ju)才(cai)能(neng)獲(huo)得(de)信(xin)息(xi)

，造(zao)成(cheng)時(shi)延(yan)。在(zai)大(da)規(gui)模(mo)天(tian)線(xian)下(xia)，得(de)益(yi)於(yu)大(da)數(shu)定(ding)理(li)而(er)產(chan)生(sheng)的(de)衰(shuai)落(luo)消(xiao)失(shi)，信(xin)道(dao)變(bian)得(de)良(liang)好(hao)，對(dui)抗(kang)深(shen)度(du)衰(shuai)弱(ruo)的(de)過(guo)程(cheng)可(ke)以(yi)大(da)大(da)簡(jian)化(hua)，因(yin)此(ci)時(shi)延(yan)也(ye)可(ke)以(yi)大(da)幅(fu)降(jiang)低(di)。

　　

值得一提的是，與大規模天線形成完美匹配的是5G的另一項關鍵技術——毫米波。毫米波擁有豐富的帶寬，可是衰減強烈，而大規模天線的波束成形正好補足了其短板。

　　

　　

首shou先xian，想xiang要yao發fa揮hui所suo有you天tian線xian的de潛qian力li，基ji站zhan端duan需xu要yao精jing確que的de信xin道dao信xin息xi，直zhi觀guan理li解jie即ji需xu事shi先xian知zhi道dao不bu同tong目mu標biao客ke戶hu的de位wei置zhi。如ru何he將jiang與yu用yong戶hu間jian的de這zhe一yi信xin道dao信xin息xi精jing準zhun地di告gao訴su每mei一yi根gen天tian線xian是shi一yi件jian很hen棘ji手shou的de事shi情qing。

　　

傳統通信係統通過手機監測基站發送的導頻 (導頻
，即基站和手機端共同知曉的一段序列)，估(gu)計(ji)其(qi)信(xin)道(dao)並(bing)反(fan)饋(kui)給(gei)基(ji)站(zhan)的(de)做(zuo)法(fa)在(zai)大(da)規(gui)模(mo)天(tian)線(xian)中(zhong)並(bing)不(bu)可(ke)行(xing)，因(yin)為(wei)基(ji)站(zhan)天(tian)線(xian)數(shu)量(liang)眾(zhong)多(duo)
，手(shou)機(ji)在(zai)向(xiang)基(ji)站(zhan)反(fan)饋(kui)時(shi)所(suo)需(xu)消(xiao)耗(hao)的(de)上(shang)行(xing)鏈(lian)路(lu)資(zi)源(yuan)過(guo)於(yu)龐(pang)大(da)。目(mu)前(qian)，最(zui)可(ke)行(xing)的(de)方(fang)案(an)是(shi)基(ji)於(yu)時(shi)分(fen)雙(shuang)工(gong)(TDD)deshangxinghexiaxinglianludexindaoduichengxing，jitongguoshoujixiangjizhanfasongdaopin，zaijizhanduanjianceshangxinglianlu，jiyuxindaoduichengxing，tuiduanjizhandaoshoujiduandexiaxinglianluxinxi。

　　

qici
，weilehuodeshangxinglianluxinxi
，shoujizhongduanxuxiangjizhanfasongdaopin，keshidaopinshuliangzongshiyouxiande
，zheyangbukebimiandixuyaozaibutongxiaoqufuyong，congerhuidaozhidaopinganrao。liluntuidaobiaoming，daopinganraoshixianzhidaguimotianxianyijianpotiandezuizhongpingzhang。

　　

另(ling)外(wai)，很(hen)多(duo)大(da)規(gui)模(mo)天(tian)線(xian)波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)的(de)算(suan)法(fa)基(ji)於(yu)矩(ju)陣(zhen)求(qiu)逆(ni)運(yun)算(suan)，其(qi)複(fu)雜(za)度(du)隨(sui)天(tian)線(xian)數(shu)量(liang)和(he)其(qi)同(tong)時(shi)服(fu)務(wu)的(de)用(yong)戶(hu)數(shu)量(liang)上(shang)升(sheng)而(er)快(kuai)速(su)增(zeng)加(jia)


，導(dao)致(zhi)硬(ying)件(jian)不(bu)能(neng)實(shi)時(shi)完(wan)成(cheng)波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)算(suan)法(fa)。快(kuai)速(su)矩(ju)陣(zhen)求(qiu)逆(ni)算(suan)法(fa)是(shi)攻(gong)克(ke)這(zhe)一(yi)難(nan)題(ti)的(de)一(yi)條(tiao)途(tu)徑(jing)。

　　

為了克服這些挑戰，世界頂尖的研究機構和各大設備商正加緊原型機的研發。除了上麵提到的美國萊斯大學的Argos原型機外，還有三星毫米波大規模天線原型機、瑞典隆德大學LuMaMi原型機
、歐洲電信研究院（Eurecom）Open Air Interface大規模天線原型機、英國布裏斯托大學原型機等。

　　

筆者有幸成為挑戰這一科技難題的一員，參與搭建了Open Air Interface 64天線模型機。下圖是其微縮版本（微縮為16根天線），旨在展示我們對相關技術瓶頸的解決方案，在上個月的歐洲網絡與通信研究大會上收到了良好反響。