超大规模天线还能给5G带来什么？

Posted 2021-12-06 脑极体

回看无线电通信技术，从1895年意大利科学家马可尼向大洋彼岸拍出第一封无线电报以来，其已经走过了120多个年头，在社会生活、航空航天、军事等领域发挥了无可替代的作用。而与普通人贴近的移动通信，则给我们的生活与工作带来了极大的便利，如今的人类完全无法想象没有网络的生活会是什么样子。

在移动通信网络中，整个系统最前端关键的部分——天线，也从未停下升级的脚步。天线承载着通信系统收发信号的重要作用，所有通信数据都需要通过天线来进行传输，因此天线性能的好坏直接影响着整个无线通信系统的性能。天线的发展也从最初的全向天线、单频单通道，到现在的多频多通道、大规模天线技术等。

随着信息化、数字化、大数据的不断进展，天线技术的发展也有了更高的要求，通信系统不断向更高的频段，更大的带宽进行发展。为了应对逐渐复杂的场景变化，比如楼宇内信号差情形，广域的高通信质量需求等，大规模天线技术的需求不断叠加。很多读者可能不太了解大规模天线技术是什么，它给产业带来了什么价值，和5G又有什么关系，以及未来会有什么趋势变化。我们今天就就着这些话题一起探讨一下。 

Massive MIMO技术价值几何？

在讨论大规模天线技术以及带给产业的价值前，先来简单介绍下大规模天线技术（Massive MIMO）的含义。在基站中采用大规模的天线阵列被称为Massive MIMO，为了便于理解，我们从区别传统设备的角度来剖析，大规模天线技术主要有两个关键的变化：

1.天线数列的变化。与传统设备的2天线、4天线、8天线相比，采用Massive MIMO技术的通道数可达32或者64，天线阵子数可做到192、512甚至更高，其增益大大超越传统设备。2.信号覆盖的维度方面。从之前只能水平方向的移动，转变为水平方向和垂直空域的移动，信号的辐射呈电磁波束。

Massive MIMO这个技术的功能主要是用来提升网络覆盖、用户体验、系统容量的作用，目前该技术在无线通信领域已经得到了广泛的应用，比如4G时代人们日常生活中主要用的通信网络和Wi-Fi热点。从理论上来看天线的数量对通信系统的频率效率，传输速率，可靠性都有直接的影响。为了保证通信服务质量，通信基站会配备了大量的天线，用于提高通信频谱的效率。而采用Massive MIMO技术可以使通信波数集中在规划的范围内，有效避免信号在不同区域之间的干扰问题，降低通信的传输功率。从应用场景的角度来描述的话，大规模天线技术的价值主要包括：

1.在城区覆盖的场景中，比如在城市环境中的写字楼，用户在空间上立体分布，人员密集但是分布比较分散。传统设备因为墙体的损耗，网络的覆盖相对比较差，大规模天线技术可以在这类场景中满足高质量的数据传输需求，极大地提升了城市用户的移动网络体验。

2. 局部热点方面，主要针对的是大型赛事、演唱会、商场、露天集会、交通枢纽等用户密度高的区域。这些地方干扰多、地形复杂，人员流动分散，整体的传输数据量大，大规模天线技术可以为其提供高质量数据传输的服务，带给用户网上冲浪的快感。

3. 郊区覆盖与无线回传的场景中，郊区覆盖主要解决偏远地区的无线传输问题，无线回传主要解决基站之间的数据传输问题，特别是宏站与Small Cell之间的数据传输问题。

大规模的天线技术应用提高了网络覆盖能力和通信系统的能力，也可以帮助通信运营商充分利用现有的基站地址和频谱资源，这为5G通信系统的开发和实现提供了巨大的资源便利，也深刻影响了基站天线行业的发展趋势。

5G带来逐渐提升的竞争力

5G网络建设正在如火如荼地进行中，我们可以看到5G的应用已经深入到万千行业中，比如工业制造、医疗领域、矿产能源等，5G为行业带来了效率和成本的改造，在这些产业不断深入发展趋势的背景下，也深刻影响了基站天线产业的发展。我们知道5G最大的核心特征是广连接、低时延、大带宽，而大带宽的能力与Massive MIMO的多通道能力完美地契合成为5G特性的放大器。

我们知道在4G时代多天线技术就被引入，最大的改变就是提高了小区峰值速率和小区边缘覆盖性能。到了5G时代，随着部署频段的升级，多天线技术的规模进一步扩大，Massive MIMO为用户带来了更好的立体网络覆盖性能和效率体验。比如在地铁的场景中，华为与电信联手的Massive MIMO技术引入有效解决了室内5G小区间的干扰问题，用户的网络速率提升40%以上，这个场景的成果也可以复制到商超、餐饮店、体育场等场景中，为用户和产业带来多场景5G升级的千兆体验。

5G时代，也需要把多天线的技术带入到网络通信的各个频段中，在这些各类频段中去释放大带宽的能力与体验。在产业的实践中，5GMassive MIMO设备的基站尺寸有新的革新，变得更加小巧，降低了5G网络的更新部署成本并且带来了相对4G十倍的体验升级。

在室外场景中，我们知道城市化的建设中，有很多人流密集的地方，比如景区、交通枢纽等，这类地方的特点是在一些时间点会有成百上千的人同时驻留集中，从而在某一个区域产生巨大的数据量。在这类的场景中无线环境比较复杂，人的流动比较大，通过更加密集化的网络设施以及5G Massive MIMO部署方式，可以解决网络容量集中且大的需求。

Massive MIMO在这些场景中的实践应用，我们可以发现其不断提升的产业竞争力。在实际的落地应用中，不仅仅带来了5G价值的升级，也为一些5GtoB的业务探明了方向。而在未来Massive MIMO也会持续地升级迭代，不仅仅是天线规模的增加，也会向创新的天线阵列实现方式、创新的部署形式、创新的应用等发展。朝着超大规模天线进一步演进升级，提供更高的频谱效率、能量效率以及更多的创新应用。

深入未来的数智空间

对于无线通信领域来说，未来主要的发展基调是向着带宽和速率更快、更强的方向发展。Massive MIMO在这个发展的基调上，技术层面也会向着超大规模的方向迈进，同时在低碳环保的数字经济发展的趋势下，深入绿色环保、低碳节能的方向，具体而言包含以下三个方向：

1.不断满足后5G、6G时代新场景与新应用的需求。超大规模天线技术的提出是基于未来数字时代新场景与应用的需求，随着天线数量与芯片集成度的不断提升，通过部署超大规模的天线阵列，应用新的材料与工具，通信的频谱效率与网络覆盖都可以得到极大的升级，向着更广泛、更灵活、更高的精度与能耗效率等方向提升。举例来说，Massive MIMO具备在三维空间内进行波束调整的能力，超大规模的天线技术还可以提供非地面覆盖的服务，比如无人机、客机、地轨卫星等的通信服务。从用户的角度来看，分布式的超大规模天线也可以提供更高的空间分辨率，什么意思呢？就是未来网络的传输方式也有可能向着由网络中心转变为以用户为中心的方式发展，精准地覆盖个体用户网络的需求。

2.智能化方向的演进。随着人工智能和机器学习的不断进化和深入发展，整个通信网络的进化也将向着支持自动配置、自动部署、自动优化等网络智能化的方向演进。而潜在的一些新的应用场景将出现，集中式和分布式超大规模天线灵活部署，将进一步满足信息应用的需求，为新的应用提供更好的覆盖和连接性能。尤其是在应急通信场景中，超大规模天线在空地一体化场景的应用与卫星通信的结合业务中，为用户提供无处不在的链接。

3.低碳绿色的发展。绿色Massive MIMO需要在站点、功率多方面进行突破式创新。Massive MIMO的技术需要向在更窄的业务信道演进，从而降低基站的发射功率，进而降低基站的能耗。而面向基站的建设成本，需要技术的迭代推动覆盖范围的最大化，使其发射功率和覆盖范围能够达到最低功耗的配置。与此同时也需要确保运营商效益与用户体验的升级。这种多赢的局面需要产业和技术的不断打磨升级，无线通信产业的价值进化任重道远。

超大规模天线技术的发展，给未来的数字世界带来很多的想象空间，可能在未来，我们在城市空间的任何角落中都能流畅无阻碍进入数字世界，视频会议、大型游戏、视频内容的下载，甚至是元宇宙数字世界的遨游都不再被密集的人群和高数据的网络需求限制。

通信产业的终极形态到底是什么样子？超大规模天线技术的产业形态会长成什么模样？我们能够预测窥探到的也只是一小部分。从3G到4G时代的跨越将近用了6年的时间，现在正在由4G 向5G跨越中，这些年通信能力、网络速率的不断升级改造带给我们数字生活极大地变化。从资讯内容的角度来看，从刚开始文字的盛行到图片再到视频的极度发展，我们获取信息的效率和内容的呈现形式都发生了颠覆的改变。而未来在超大规模天线技术赋能的6G时代，数字世界将会如何变化，能写出来的也只是冰山一角，更大的产业潜能如何释放，想象力实在是有限，空白的大脑只剩下对未来的期待。