2020年04月15日 | 5G这么多新奇的技术，最关键的是哪个？

说到天线，大家一定不会陌生。在无线技术非常普及的现代社会，天线在我们生活中随处可见。

其中最常见的，当然是我们移动通信网络所使用的基站天线。

基站天线对我们的生活至关重要。如果没有它，我们的手机就没有信号，我们也就无法愉快地网购、追剧和吃鸡。

如果大家细心观察，就会发现，不同设备的天线，有着不同的外型和尺寸。

没错！从理论上来说，天线的理想长度通常是电磁波波长的1/4。

所以，我们会看到，模拟电视拉杆天线长度一般是0.175~0.5米、FM收音机的天线长度是0.675~0.85米。

而我们的移动通信网络，工作频率主要在700M~3500MHz之间，所以天线的尺寸要小得多。

小得都已经看不见了（藏到了手机里）

但是，无线信号的工作频率更高、波长更短，导致了一个不好的结果——它的抗干扰能力和绕射能力明显减弱了。尤其在城市复杂环境下，信号质量更容易受影响。

因此，工程师们需要不断研发新技术，用于提升移动通信系统的容量和覆盖。

天线，作为移动通信的关键一环，自然而然成为工程师们大开脑洞的首要对象。

接下来，我们就来康康，咱们的基站天线到底玩了哪些神操作。

在移动通信最早期的1G时代，基站所使用的几乎都是全向天线。当时的用户数量很少，传输的速率也比较低。

到了2G时代，天线逐渐演变成了定向天线，比如天线覆盖角度为120°，一个小区会有三个扇区，演变为蜂窝通信。

3G时代，智能天线诞生，单一的天线发展成多天线，也就是我们常说的MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多入多出）多天线技术。

MIMO增加了天线个数，也就增加了信号传输的通道数量。

那么，该怎样利用多出来的通道数量呢？

最开始的时候，工程师们想到的是把它用于增强覆盖。

他们基于MIMO，提出了一种新的传输模式，叫做“传输分集”。简单来说，就是“把相同的内容通过不同的天线发送出去”。

“传输分集”：分散发射、集中处理

这种模式，可以缓解信道质量不稳定带来的性能下降，从而增强覆盖。

后来，MIMO又发展出另一种模式，叫做“空间复用”。

空间复用是将要传送的数据分成几个数据流，然后在不同的天线上进行传输，从而提高系统的传输速率。

这种模式，主要用于提升小区容量。

在实际应用中，同一部分天线不可能既用于传输分集，又用于空间复用。所以，MIMO天线需要在上述两种模式中进行权衡。权衡的结果，直接影响到频率资源的利用率。

到了5G时代，情况又发生了变化。

在4G到5G演进的过程中，随着频率的增加，天线尺寸进一步缩小，天线数量进一步增加。

英国发烧友拍摄的沃达丰设备。可以看出，5G的天线尺寸更加紧凑。

于是，MIMO就变成了Massive MIMO ，也就是“大规模MIMO”。传统的MIMO通常有2天线、4天线、8天线，Massive MIMO的天线数量可以超过100个。

比如，当前5G主流选择之一的64T64R天线，即64通道Massive MIMO天线，就是由192个天线振子组成。

Massive MIMO的出现，让传输模式又有了新的玩法。

Massive MIMO系统可以控制每一个天线单元发射（或接收）信号的相位和信号幅度，通过对多个天线单元进行调节，产生具有指向性的波束。

这样一来，可以使无线信号能量在手机位置形成电磁波的叠加，从而提高接收信号强度。

这种技术，就是传说中的波束赋型。

波束赋型让波束的能量向指定的方向集中，不仅可以增强覆盖距离，还可以降低相邻波束间的干扰，让更多的用户可以同时通信，提升小区容量。

也就是说，它将分集和复用的优点集于一身。

值得一提的是，波束赋型的效果取决于天线的数量，还有算法的质量。算法是根据手机的位置和状态信息，进行实时计算，通过天线形成理想的波束。

相比之下，分集和复用的工作方式比较宽松，当手机信息不充分的时候（例如手机移动太快），还是可以发挥很大作用。 

除了增强覆盖和提升容量之外，Massive MIMO还有一个秘技——当天线振子数量足够多时，Massive MIMO能够打破空间的限制。 

16T16R以下的Massive MIMO天线阵列，只能提供水平维度的2D波束赋型。32T32R和64T64R的Massive MIMO天线阵列，可以实现水平和垂直方向上的3D波束赋型，进而有效增强对高层住宅的覆盖。

由此可见，Massive MIMO将多天线技术推向了一个更高的高度。Massive MIMO和波束赋型这对史上最强CP，让天线更智能、更强大，被称为5G关键技术是名至实归。

“Massive MIMO+波束赋型”强大能量的背后，是对厂商软硬件研发能力的严峻考验。

在研发的过程中，天线系统的滤波特性、增益作用、抗干扰效果，都是工程师们需要深思熟虑的问题。而且天线数量和手机终端数量越多，天线的复杂度就越高，对算法和芯片处理能力的要求也越高。

只有强大的算法，才能让波束赋型产生像舞台追光一样的理想效果。

目前，只有少部分厂商具备高阶（64T64R及以上）Massive MIMO天线的研发和制造能力。

而华为，就是其中之一。从华为公布的5G天线发展趋势来看，高集成度的Massive MIMO是5G关键技术，具备超强的波束赋型能力，为5G带来可观的性能提升。