1.从传统MIMO到大规模天线

3GPP LTE Release 10已经能够支持8个天线端口进行传输，理论上，在相同的时频资源上，可以同时支持8个数据流同时传输，也即8个单流用户或者4个双流用户同时传输。但是，从开销、标准化影响等角度考虑，3GPP Release 10中只支持最多4用户同时调度，每个用户传输数据不超过2流，并且同时传输不超过4流数据。由于终端天线端口的数目与基站天线端口数目相比较，受终端尺寸、功耗甚至外形的限制更为严重，因此终端天线数目不能显著增加。在这一前提下，基站采用8天线端口时，如果想要进一步增加单位时频资源上系统的数据传输能力，或者说频谱效率，一个直观的方法就是进一步增加并行传输的数据流的个数。或者更进一步，增加基站天线端口的数目，使其达到16、64，甚至更高，由于MIMO多用户传输的用户配对数目理论上随天线数目增加而增加，我们可以使更多的用户在相同时频资源上同时进行传输，从而使频谱效率进一步提升。当MIMO系统中的发送端天线端口数目增加到上百甚至更多时，就构成了大规模天线系统^[5]。

2.大规模天线增益的来源

这一节分析大规模天线增益的理论来源，并进一步分析实际应用中能够获取的增益。为了便于描述，在这一节中我们暂且先不区分天线端口以及物理天线概念上的区别（这一区别将在后面3D信道的生成章节中详细说明），也就是说，一个天线端口就对应一个物理天线振子，或者对极化天线，对应一个振子的一个极化方向。

和传统的多天线系统相似，大规模天线系统可以提供三个增益来源：分集增益、复用增益以及波束赋形增益。

（1）分集增益

发射机或接收机的多根天线，可以被用来提供额外的分集对抗信道衰落，从而提高信噪比，提高通信质量。在这种情况下，不同天线上所经历的无线信道必须具有较低的相关性。为了获取分集增益，不同天线之间需要有较大的间距以提供空间分集，或者采用不同的极化方式以提供极化分集，如图4-6所示。

图4-6 分集增益示意图

（2）复用增益

空间复用增益又称为空间自由度。当发送和接收端均采用多根天线时，通过对收发多天线对间信道矩阵进行分解，信道可以等效为至多N（N≤min（N_T，N_R））个并行的独立传输信道，提供复用增益。这种获得复用增益的过程称为空分复用，也常被称为MIMO天线处理技术。通过空分复用，可以在特定条件下使信道容量与天线数保持线性增长的关系，从而避免数据速率的饱和。在实际系统中，可以通过预编码技术来实现空分复用，如图4-7所示。

图4-7 空分复用示意图

（3）波束赋形增益

通过特定的调整过程，可以将发射机或接收机的多个天线用于形成一个完整的波束形态，从而使目标接收机/发射机方向上的总体天线增益（或能量）最大化，或者用于抑制特定的干扰，从而获得波束赋形增益。不同天线间的空间信道，具有高或者低的衰落相关性时，都可以进行波束赋形^[6]。具体来说，对于具有高相关的空间信道，可以仅采用相位调整的方式形成波束；对于具有低相关性的空间信道，可以采用相位和幅度联合调整的方式形成波束。对于这两类波束赋形过程，更为一般的表示方式是：

其与发射天线预编码的方式相同，如图4-8所示。

图4-8 波束成型示意图

在实际的工程应用中，由于站址选取和诸多工程建设的限制，天线的尺寸不能无限制地增大。由于采用大规模天线技术的基站天线数目显著增加，基站天线尺寸却不可能随着天线振元数目成倍增长，因此，采用了大规模天线技术后，有限的天面空间中，不同天线的水平和/或垂直间距有可能进一步压缩。这将导致基站侧各个天线之间的相关性随天线数目的增加而增加，单个终端的天线与基站各个天线之间的空间信道呈现较高的衰落相关性。因此，在大规模天线系统中，单个用户能够获得的空间分集增益是有限的。

另一方面，虽然单个终端的天线与基站各个天线之间的空间信道具有高相关性，但是，不同终端与基站之间的空间信道却不一定具有高相关性。通过用户配对的方法，仍然可以像传统MIMO系统，通过预编码的方式将基站与多个用户之间的空间信道分解为多个等效的并行传输信道，实现多用户MIMO传输，从而获得复用增益。并且，由于大规模天线系统中天线数目比传统MIMO系统中更多，支持更多用户同时传输，因此利用大规模天线可以获得比传统MIMO系统更为显著的复用增益。

当天线间的相关性确定后，理论上通过波束赋形可以获得最多N_t倍的波束赋形增益，因此在实际应用中，大规模天线可以获得可观的波束赋形增益。

值得说明的是，利用大规模天线实现获取波束赋形增益与获取复用增益的关系。首先是两种增益获取手段的关系。从前面的介绍可以知道，在实际应用中波束赋形增益和复用增益的获取都是通过预编码的形式来实现的，因此在实现过程中为了便于区分，获得波束赋形增益的预编码也可以称为“模拟预编码”，获得波束赋形增益的过程也被称为“模拟波束赋形”，而用于进行MU-MIMO传输获取复用增益的预编码也可称为“数字预编码”，对于MU-MIMO中的每个用户的预编码过程也被称为“数字波束赋形”。模拟波束赋形过程和数字波束赋形过程的差别主要在于所用预编码矩阵的变化周期，数字预编码的变化可以在每个子帧进行，而模拟预编码的变化周期要远远大于这个范围。除此之外，两种增益的获取是处在不同的层面上。为了获取波束赋形增益，模拟波束赋形操作是针对天线本身进行的，是一种对整个天线阵列或者天线阵列局部的发射图样进行调整的过程，因此所有使用该天线阵列或者该天线阵列局部的用户传输都会受到模拟波束赋形操作的影响。复用增益则是针对用户传输而言的，换言之，数字波束赋形操作是基于模拟波束赋形操作后的等效空间信道进行的。

另一点值得说明的是，波束赋形与有源天线的关系和区别。由于大规模天线在抽象形式上也可以看作是有源天线阵列，两者有着天然的联系。实际上大规模天线中的“模拟波束赋形”过程本质上与形成电调下倾角^[7]（见图4-9）以及电调方向角的过程在形式上是相同的。两者的差别在于对于有源天线，电调下倾角和电调方向角在设定好之后一般不会轻易调整，而大规模天线的模拟波束赋形过程则更加灵活。

图4-9 AAS电调下倾角示意图

3.大规模天线的理论特性

随着天线数目的增加，大规模天线系统除了可以提供比传统MIMO更大的空间自由度，还具有如下特点^[8]：

（1）极低的每天线发射功率

保持总的发射功率不变，当发射天线数目从1增加到n时，理想情况下，每个天线的发送功率变为原来的1/n。而且，如果仅仅保证单个接收天线的接收信号强度，在最理想的情况下，使用n个天线时总发射只需要原来的1/n即可，也即，此时每个天线上的发射功率变为原来的1/n²。虽然，在存在信道信息误差、多用户传输等实际因素的情况下，不可能以如此低的发射功率工作，但是这也足以说明采用大规模天线阵列，可以降低单个天线发送功率。

（2）热噪声及非相干干扰的影响降低(www.daowen.com)

利用相干接收机，不同接收天线间的非相干的干扰部分可以得到一定程度的降低。当采用大规模天线阵列收发时，由于接收天线数目极大，非相干的干扰信号被降低的程度显著增加，降低程度与天线数目成正比。因此，热噪声等非相干的噪声将不再是主要的干扰来源。与此同时，相关性的干扰源，如由于导频复用而造成的导频污染，成为影响性能的重要因素之一。

（3）空间分辨率提升

极高的发送天线数目提供了足够丰富的自由度对信号进行调整和加权。这不仅可以使发射信号形成更窄的波束，另一方面，也使信号能量在空间散射体丰富的传播环境中能够有效地汇集到空间中一个非常小的区域内，提高空间分辨能力。

（4）信道“硬化”

当大规模天线阵足够大时，随机矩阵理论中的一些结论便可以引入到大规模天线的理论研究中。当天线数目足够多时，信道参数将趋向于确定性，具体来说，信道矩阵的奇异值的概率分布情况将会呈现确定性，信道发生“硬化”，导致快速衰落的影响变小。

大规模天线的理论特性研究，大多是在假设天线数目可以无限增加的情况下进行的。在这种假设条件下，很多理论推导的工作都可以转化成为极限操作，能够获得较为简单和直观的闭合结论。但是，在现实条件下，天线数目是一个重要的限制条件，不可能无限增加。因此，目前从工业界的角度，关注点更加集中在大规模天线的实际增益以及其变化趋势上，对于大规模天线的理论特性则主要在定性分析上。在学术界，大规模天线理论研究工作也逐渐从理想条件下以及极限条件下大规模天线的性质分析，逐渐过渡到非理想条件下，例如在天线数目受限、信道信息受限等条件下，大规模天线的实现方法和具体性能研究^[9-13]。更多的学术研究成果，感兴趣的读者可以参考欧盟FP7（European Union' s Seventh Framework Programme）项目MAMMOET（Massive MIMO for Efficient Transmission）提供的大规模天线研究信息网站：http：//massivemimo.eu/research-library。

4.大规模天线的原型测试平台

为了进一步缩小大规模天线理论研究和实际应用的差别，学术界和工业界都在积极探索大规模天线原型系统的研究和开发，例如：Green Touch原型演示系统、Argos测试平台以及Lund大学大规模天线测试平台。

（1）Green Touch原型演示系统^[14]

Green Touch在2010～2011年间便开始了针对大规模天线的能效方面的研究。Green Touch使用的大规模天线演示系统由16个天线单元构成，每个天线单元包括4个同相位的天线振子，如图4-10所示。演示系统基于TDD，大规模天线发送端通过上、下行信道的互易性获取信道信息，并进行最大比合并和最大比发送。通过对比采用单个天线单元以及采用全部16个天线单元进行上行接收时，单个终端发送功率的变化，该系统展示出当天线单元数目翻倍时，在不造成信号处理损失的情况下发送功率可以降低一半。结合理论分析，Green Touch认为当天线数目增加到上百根时，采用空间复用技术实现多用户的传输，可以得到更为可观的能量效率图4-11为天线数数目为100的大规模天线系统能够达到的能量效率与单用户单天线系统的能量效率的对比。

图4-10 Green Touch大规模天线演示系统

图4-11 能量效率仿真结果

（2）Argos测试平台^[15]

Argos测试平台是由美国Rice大学和贝尔实验室联合开发的用于验证大规模天线系统可行性的实验平台，如图4-12所示。虽然Argos平台的一个设计初衷是为了研究采用更多天线的情况下多用户传输在实际传播环境中的性能上限，但是实际上Argos系统作为采用WARP（Wireless Open-Access Research Platform）扩展的方式成功实现的大规模天线测试系统，这一系统搭建成功本身是对其大规模天线测试系统的研发非常重要的激励。

Argos系统由中央控制单元、总线系统，以及WARP模块板构成，如图4-13所示。每一块WARP板包括4个射频天线以及相应的射频控制器，通过在总线上连接多个WARP模块，可以实现大规模天线阵列系统及传输，并且通过改变WARP模块的数目可以灵活配置大规模天线系统中的天线数目。虽然Argos系统在设计演示时只实现了64天线的大规模天线传输，但是这种基于总线以及多个射频单元模块构成可配置的大规模天线测试系统的架构已经在其他大规模天线测试平台的研发中得到了广泛认可。

图4-12 Argos系统外观

图4-13 Argos系统的构成

（3）Lund大学大规模天线测试平台^[16]

瑞典的Lund大学是早期投入大规模天线原型机研究的学术机构之一。Lund大学早期的测试平台主要用于研究大规模天线系统采用不同天线阵列形式，如圆柱形和直线排列，对信道传播的影响。在2014年，Lund大学和NI（National Instrument，美国国家仪器公司）联合构建了具有通用性、灵活性，以及可扩展性的大规模MIMO测试台平台（LuMaMi），如图4-14所示。该平台基于软件无线电系统实现，包含128根天线，能够进行信号的实时处理，并且可以支持在各个频段和带宽上进行双向通信实验，其参数配置如表4-4所示。

图4-14 瑞典Lund大学大规模天线测试平台

a）瑞典Lund大学大规模天线测试平台 b）一种自定义的极化贴片天线阵列

表4-4 Lund大学大规模天线测试平台配置参数

除了学术界对大规模天线实验平台的研发之外，工业界也在积极尝试探索大规模天线商用化的可能。如三星在28GHz的高频大规模天线实验系统、国内的大唐电信、中兴、华为等企业都在积极尝试的大规模天线原型样机的开发。理论研究和工程探索的成果，展示出了大规模天线巨大的应用潜力。