在第2章的5G需求中已经指出，对5G网络的研究应总体致力于建设满足部署轻便、投资轻度、维护轻松、体验轻快要求的“轻”型网络，那么在大规模天线部分轻量化的技术方案则应引起业界的重视。

1.基于大规模天线的无线回传

在无线网络建设成本和运营成本中占据主要地位的分别是工程施工与设计成本以及网络运营与支撑成本。因此，从运营的角度考虑，一种能够降低整体部署成本并降低运维成本的大规模天线应用方案将更加符合运营商实际部署的需求。

在5G及未来通信系统中，基站数目将显著增加。这一方面将导致控制建站成本随着建站数目需求的增加而变得更为重要；另一方面，站址资源的选择将面临更加严峻的挑战，未来密集部署的基站选址将更加具有灵活性。

传统基站使用的光纤回传以及微波点对点无线回传系统在适应这种新的变化时都存在明显的不足。光纤回传的建设过程决定了其较高的建设成本，并且采用光纤回传基站的选址必须限制在光纤接入点的附近。当大量使用宏基站进行广域覆盖的情况下，光纤回传的这些特点并不会在建设、运维过程中产生显著的负面影响；但当基站逐渐趋于低成本、小型化，基站部署位置越来越密集灵活的情况下，固定的光纤回传显然不是最优的选择。由于未来基站组网部署的一个方向是大规模部署微基站，并且微基站具有灵活的开启和关闭能力，在这种趋势下，需要一种新的回传解决方案来满足建设成本、网络性能以及组网灵活性三者之间的平衡。

由于网络建设和运维具有连续性和可持续性，并且由于网络建设程度和建设周期的差异，大规模天线技术将不可避免地与微基站技术混合部署、联合组网。因此可以利用宏基站为微基站提供基于大规模天线的无线回传，该方案如图4-49所示。

图4-49 大规模天线无线回传场景

对于采用大规模天线的宏基站来说，从传输的角度看，通过无线回传链路接入宏基站的各个微基站本质上与宏基站内的用户并没有区别，因此利用大规模天线提供的空间自由度，宏基站可以同时为多个位置的微基站提供无线回传。而另一方面，利用动态波束赋形，理论上，当采用大规模天线提供无线回传时，微基站的部署位置可以灵活调整。相对于传统回传方式，这一应用方式将显著降低站址选择以及回传线路架设的成本。

进一步，由于微基站相对于宏基站在相当长的时间内都不发生移动，因此宏基站与微基站间的信道具有极低的时变特性。这一特性为信道测量、信道信息反馈技术方案的设计提供了足够的研究与优化空间，能够在显著降低信道信息反馈开销的同时提高信道信息的准确程度，使大规模天线即使采用简单的传输方案仍能高效进行，可以极大地降低大规模天线系统的运维难度和成本。

2.虚拟密集小区

随着天线数目的增加，对于FDD的大规模天线系统，由于信道反馈量大幅增加，实际系统设计变得较为困难，同时传统终端难以利用大规模天线带来的性能增益，实际系统性能依赖于可支持大规模天线终端占据的比例，这些都给网络部署和维护带来困难。另一方面，超密集组网虽然可以大幅度提升系统容量，但是考虑到工程实际部署的困难，以及站址资源回传和投资成本收益等因素，超密集的小区不一定在所有的场景都适用，集中式的宏技术对运营而言仍然有较大的吸引力。

传统网络优化采用小区分裂的方式进行扩容，包括新增站址和基于天线技术的扇区化分裂等方式。而大规模天线系统从理论上支持了更多小区分裂的可能性。利用集中式的大规模天线系统，通过结合MIMO技术的灵活性和小区分裂技术的简洁性，半静态地赋形出很多个具有小区特性的波束，看起来就像是虚拟的超密集组网一样。

其技术如图4-50所示，成形的每个波束上有不同或相同的物理小区ID和广播信息，看起来就像是一个独立的小区。小区的数量有一定限制，并可以根据潮汐效应半静态地转移。虚拟小区间的干扰可以利用干扰协调技术或是一些实现相关的增强手段来克服。可以在窄波束虚拟的小区上，用宽波束虚拟出宏基站小区，形成HetNet的网络拓扑。

图4-50 虚拟密集小区示意图

表4-13展示了传统大规模天线、虚拟密集小区技术与传统UDN技术之间的比较，需要看到的是，虚拟密集小区方式的主要好处在于其对标准化影响小，系统实现相对简单。而最大的挑战则在于投入大量成本部署大规模天线后，性能增益是否满足预期的投入产出比。

表4-13 不同系统的比较

由于波束成小区是自干扰系统，其干扰情况是决定系统性能的关键，图4-51展示了简单场景下的仿真结果。仿真假设为单基站并采用理想全向天线振子，用户在与基站信噪比10dB的圆环区域上分布，统计均匀分布（左图）和用户在波束6度内热点分布（右图）下的系统SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信干噪比）和依据香农公式计算的平均频谱效率（图中数值）。通过非常简单的示意性仿真可以看到，热点分布的SINR和平均吞吐量比均匀分布的场景有较大改善。图4-52为同样3扇区化，扇区间角度扩展的情景，同样可以看到性能的改善，而图4-53是5扇区化的结果，可以看到由于分裂的复用增益，系统的容量有所提升。

图4-51 虚拟密集小区SNR分布示意图

图4-52 虚拟密集小区SNR分布示意图

图4-53 虚拟密集小区SNR分布示意图

然而实际系统是十分复杂的，简单的示意性仿真不能说明系统的实际增益，包括更好的波束成型跟踪技术（大规模天线领域）或者是干扰协调技术（超密集组网领域）都会对系统的性能带来影响，需要长远和深入的评估。虚拟波束成小区的管理和干扰也同样复杂，包括可以分配相同或不同的小区广播信息与ID等，这和在UDN中面临的问题相类似，其对网络极度复杂下运维网优的挑战，可以与密集小区的场景整合到统一的网络管理平台之中。

3.分布式大规模天线

由于天线数量的增加，大规模天线对天线的形态和信号处理的方式会有一定程度上的转变。以2GHz载波频率的天线为例，其波长为15cm，考虑天线间距为半波长以上才能获得阵列信号处理得较好的处理增益，因而对于8行8列双极化的128天线来说，其尺寸至少约为60cm×60cm。这相对传统天线来说尺寸变化较大，特别是在水平方向上，因为在传统天线的竖直方向有很多为了获得天线增益的阵子存在，可以以减少天线增益为代价赋予原有竖直方向上天线振子独立调制信号的自由度，来实现大规模天线系统。模拟信号数字化虽然可能减少最终天线增益，其最主要的一个好处便是可以获得信号处理的自由度。这一自由度可以是多方面的，从系统容量的角度来说，通过扩展空域信号的自由度也就是空间信道矩阵的秩，来复用更多高信噪比下的用户；而从天线设计的角度，这一自由度减弱了对传统天线形态的必然要求。传统天线为了通过简单有效的方式获得波束成型的天线增益，往往采用均匀线性阵列，这使得天线的形态成为一个封闭的长方体。数字化自由度使得在原理上不需要限制天线振子的位置，通过数字化的接收端调整幅度和相位进行补偿，以达到和均匀线性阵列相同的性能。

另外，考虑大规模天线的采用不同天线形态，拥有几十甚至几百个天线阵子的分布式大规模天线有其他天线结构无法比拟的优势。①更易于部署：相比于集中式大规模天线，分布式的天线结构能更灵活地设计天线形态，可以有效解决大规模天线在部署时对站址要求较高的难题；②更高的频谱效率：相比于集中式大规模天线，采用分布式大规模天线的天线阵时，当基站采用的天线总数为M，在基站已知完全信道状态信息条件下获得相同接收信噪比只需要1/M的发送功率，而已知部分信道状态信息的条件下只需要1/M的发送功率^[8]；③覆盖更大：拥有的多个天线阵子可以获得更大的覆盖范围，从而使用户位于小区边缘的概率减小，减小了同频干扰和切换概率。(www.daowen.com)

以下从部署场景方面考虑分布式大规模天线的多种应用方式。

（1）室外部署场景

在室外部署时，分布式大规模天线的优势主要在于易于部署，可以分为两种形式：①“大”分布式，即多个天线子阵列进行集中处理，整体构成大规模天线，此种部署形式可与超密集小区相结合，通过集中资源管理，有效解决小区间干扰的问题，提高小区吞吐量。部署形态如图4-54所示。②“小”分布式，即通过模块化的天线形态，用天线子阵列的形式构成大规模天线，部署形式如图4-55所示。

图4-54 “大”分布式天线部署

图4-55 “小”分布式天线部署

（2）室内部署场景

在室内部署时，分布式大规模天线的优势主要在于更灵活的组网，考虑模块化天线形态，以下举了三个例子，如图4-56所示：a办公室举例，大规模天线子阵列部署在办公室各角落，此时可以各房间的子阵列集合单独集中处理构成大规模天线，也可以考虑跨房间的集中处理；b商场举例，商场的特殊之处在于通常有中间走廊的公共区域，两边为面积有限的商铺或房间，此时公共区域可以部署天线子阵列；c体育场举例，可以将大规模天线子阵列部署在中央显示屏的四周。

图4-56 室内部署场景

同时，对于形态灵活可变的天线，在实际部署过程中的某些特定的场景下可以展现出其特有的优势。比如可以将天线制作成文字、壁画、树枝等形状，类似美化天线的方式灵活部署在特定的场景，而且和美化天线比起来由于没有传统物理天线尺寸的硬限制，对场景会有更强的适用性，因而模块化分布式大规模天线是运营商实际部署中一个非常有应用前景的关键技术。当然也面临着巨大的挑战，主要集中在天线的物理设计和指标退化分析，数字基带信号处理补偿和校准，以及实际部署下的防风防盗等。

图4-57对理想阵子异形天线方向图进行分析。对于理想阵子偶极子天线，假设天线阵列为16行8列的128单极化天线，仿真得到不同天线间距下的方向图如图4-57所示。

图4-57 不同天线间距下的方向图

调整波束的方向角度（球坐标ψ=30°，θ=150°）后的能量增益变为图4-58所示。

图4-58 波束方向改变后不同天线间距下的方向图

由此可见，在中心位置时，0.5～1λ间拥有较好能量集中度的天线，在非中心波束方向时会出现一定的镜像能量，这不利于系统整体的干扰控制。

对于异形天线，以常见的“中”字形为例，讨论分析其方向图（见图4-59），天线示意如图4-60所示。

图4-59 “中”字天线不同天线间距下的方向图

图4-60 天线示意图

由于仿真中天线数量较少，天线3 dB半波宽度较宽，实际应用时可以通过增加天线数来降低天线半波宽度，但这不影响定性的理论分析。通过仿真结果可以看出，调相加权下的方向图相对宽度较大，而且有更多的旁瓣能量的泄漏。相对于传统天线来讲，性能有所退化是预料之中的，关键是这种退化的影响究竟会有多大，只有通过系统全面的评估才能得到一个初步的结果，并要经过反复大量的测试来确定结论，这里只是做一个前期简单的定性评估。

如果天线能够做成模块化的形式，就可能出现多种新型的天线形态设计方案，这也将解决大规模天线在时间上遇到的挑战，主要体现在天线尺寸的增加使部署变得困难。大规模天线由于天线数量会增加到128根以上，天线的尺寸会因此而大幅增加，这会对实际的部署带来挑战。但在特定的站址环境下，一个新形状的天线却有可能适应部署的环境，并能够方便地完成安装。然而，现在的天线并不具备这样的灵活性。定制的天线成本较高，虽然定制天线是一个解决布署大规模天线不够灵活的办法，然而定制的天线由于不具有规模效应，需要根据不同的场景进行系统设计和模具制作，成本较高，难以大规模广泛地获得应用。

通过可折叠大规模天线系统，可实现天线部署的灵活性，同时模块化设计降低了成本和回传的开销。由模块化的基本单元和旋转接口单元级联组成可折叠的天线系统；基本单元背插RRU成为独立的有源天线单元，通过一个具有接口连接和机械旋转功能的旋转接口模块级联组成这套系统，如图4-61所示；模块化的设计有助于降低成本。基本单元具有信号提取和处理的能力，旋转接口模块具备数据传输和角度反馈的功能，通过一条光纤复用多天线阵子的数据，减少大规模天线的接线数量，同时可利用角度反馈设计信号处理的算法。

图4-61 折叠天线示意图