赵立英，颉 斌

（北京中网华通设计咨询有限公司，北京 100000）

1 研究背景

2020年是全球公认的5G大规模商用的时间点。目前，我国高层、相关部委以及运营商都在关注并大力推动5G的试验和相关建设，5G时代即将到来。5G相对4G，从系统容量等性能指标到频谱效率等能效指标方面，均有数量级倍的提升。性能的提升必然是技术提升和新技术应用的结果。大规模天线技术（Massive MIMO）是5G关键技术之一，因此研究大规模天线技术对5G布局具有重要意义。

2 大规模天线技术

大规模天线技术同样采用MIMO技术。MIMO技术在4G通信中已经进行了充分研究与应用，各项技术已经成熟，但在4G通信中MIMO天线数量较少。Massive MIMO可以理解为4G MIMO技术的继承、延伸，天线振子可以达到成百上千个。Massive MIMO技术在4G应用基础上增加了水平、垂直等空间波束赋形功能，所以又称为3D MIMO或Large Scale MIMO。它在基站侧通过安装大量天线（≥8，通常为16T16R、32T32R、64T64R及以上）组成天线阵列系统，从而实现大量的天线同时发送数据，是多天线技术演进的一种高端形态。

2.1 理论基础

采用大规模天线能够提升系统容量和频谱利用效率，主要是基于以下理论：

（1）多天线信息理论证明，当无线链路收发两端采用多个天线时，该网络的极限容量会远超采用单天线的系统。

（2）根据概率学统计原理，当发端天线数量远大于收端时，发端到收端各个用户的无线链路将趋于正交，用户间干扰将趋于消失；巨大的阵列增益能够有效提升每个用户的信噪比，从而能够在相同的时频资源共同调度更多用户。

（3）大规模天线具有波束赋形功能，在水平、垂直三维空间形成多个高增益窄波束，提高覆盖能力的同时，降低了用户之间的干扰。在波束赋形功能基础上还可基于无线网络情况进行空间复用和空间分集，提升网络容量或提高链路健壮性。

2.2 测试结论

根据我国5G技术研发试验第一阶段关键技术验证中针对大规模天线的测试，结论如下：

（1）在用户水平分散分布与水平+垂直分散分布两个测试场景下，峰值吞吐量达到4 Gb/s@100 MHz，相比于单用户双流的峰值速率（478 Mb/s），增益超过8倍；

（2）用户分布的相关性对MU-MIMO的性能影响较大。密集分布场景相对分散分布峰值，吞吐量下降25%。

2.3 天线形态

Massive MIMO在5G网络中通常与RRU合设，即天线与射频单元合二为一，称为有源天线处理单元（Active Antenna Unit，AAU）。与传统分离方案相比，AAU方案提高了天馈系统集成度，减少了馈线损耗，降低了站点负荷。对于频率较低、容量需求较低以及通道数量较少的情况，也可采用天线与RRU分离的方案。

5G大规模天线典型规格如图1所示。

图1 5G大规模天线典型规格图

从图1可看出，频段越高，天线体积越小，是5G采用大规模天线技术的有利条件之一，尤其是在高频段和毫米波的应用。典型3.5 GHz大规模天线规格图如图2所示。

图2 典型3.5 GHz大规模天线规格图

2.4 天线映射

影响大规模天线性能的参数包括振子数及布局、自由度和通道数等。

振子数一般为128和192。振子数越多，波束越窄，能量越集中，对覆盖越有利。同样的振子数量，基于某一方面天线性能考虑，可以有不同布局。如图3中16TRX（8H2V）与32TRX（8H4V），天线振子数量一致，水平自由度一致，但通道数量差1倍、垂直自由度差1倍，导致二者在垂直赋形能力、提升系统容量方面存在差别。

自由度（T）。垂直面达到2T及以上，可以实现3D MIMO，实现更大范围的垂直覆盖。垂直面存在多T，能够获得覆盖角度所需的相位差，是3D-BF的基本条件。垂直面1驱N，N越大，两T之间的距离越大，可转动角度越小。1驱6场景下比1驱3角度小50%。

通道数也可以理解为TRX数，一般为8、16、64和128等。通道数越多，系统容量越大。

图3为移动通信中常用的MIMO天线映射图。

图3 常用天线映射图

以64TRX为例，图3中每个交叉的×表示一对采用交叉极化方式安装的阵子，而一个方框代表多个阵子连接一个功放（Power Amplif i er，PA）。考虑到双极化因素，64TRX天线共包含64个PA，每PA连接3个阵子。从振子布局可看出，垂直面1个PA驱动3个天线振子，水平面1个PA驱动1个天线振子，于是有：

3（垂直面1T阵子数）×4T（垂直面TRX数）×1（水平面1T阵子数）×8T（水平面TRX数）×2（双极化）=192阵子 （1）

3 大规模天线在5G网络中的应用

在即将规模部署的5G网络中，大规模天线会广泛应用。目前，主流5G天线类型主要包括64TRX、32TRX和16TRX共3种。下面从应用场景和天线选型两方面进行介绍。

3.1 应用场景

针对大规模天线能提升系统容量、增强覆盖尤其是高层覆盖、抑制干扰的特性，主要应用场景如下。

3.1.1 高业务量场景

高业务量场景主要指密集城区、CBD以及商务区等。这些区域数据业务爆炸性增长，在新建站址越来越难的现状下，存量网络的频谱效率需大幅提升。通过上行多用户虚拟MIMO，最大支持8流，多个UE配对复用相同的上行时频资源，同时传输多流数据，提高小区的平均上行吞吐率。下行MU-BF最大支持16流：同一个时频资源上传多个下行数据流，从而提高下行传输的频谱效率。

3.1.2 高层覆盖场景

例如，高层住宅小区。通过垂直波束赋形能力进行高楼层覆盖，波束间垂直角度大，不同波束覆盖不同楼层，可解决高楼站址紧张、墙体穿损大以及信号难以控制等痛点。在同等水平波束的情况下，8T8R场景垂直波束固定为6.5°左右；Massive MIMO可以灵活定制水平和垂直波宽，有效提升高楼场景的覆盖2～10 dB。

3.1.3 高干扰场景

类似大型场馆组织各类活动时，人流量及业务量密度非常大。通过波束赋形功能准确跟踪用户，可有效抑制干扰，提升网络容量。

3.2 天线选型

下面从覆盖、容量以及造价等方面对64TRX、32TRX和16TRX共3种天线进行比较。

3.2.1 覆盖性能对比

根据测试，相对于16T16R，32T32R覆盖提升3～4 dB，64T32R覆盖提升5～6 dB，3D MIMO对提升覆盖增益明显，具体见图4和图5。

3.2.2 容量对比

16TRX、32TRX、64TRX随着通道的增多，带给网络的容量增益越大。测试数据显示，在平均站距500 m的条件下，64TRX相对16TRX带来2倍多的容量增益。

3.2.3 造价对比

64TR天线成本为32TR的1.5倍，为16TR的2倍以上。

图4 覆盖性能对比图

图5 垂直面覆盖性能对比图

3.2.4 结果与分析

通过表1比较：密集城区建议选择64TRX天线，同时兼顾覆盖与容量；一般城区基于建设成本考虑，推荐选用32TRX或16TRX，局部区域可考虑64TR天线，后续若天线成本大幅下降，可直接考虑采用64TR天线；农村区域5G部署频段预计会采用对现有频谱进行重耕，受限于天线尺寸制约，预计天线仍会采用现有形式，可考虑采用2T2R和4T4R天线类型。

4 结 论

理论及测试均证明，大规模天线在5G网络中应用能高效提升频谱效率、提高系统容量、降低小区干扰。5G建设目前处于试验网预商用阶段，大规模建设即将到来。针对大规模天线的应用，要综合考虑场景特性、天线特性以及造价等多方面因素，合理选择天线类型。

表1 常用天线参数对比表