摘要
近年来移动数据业务量呈现⼏何指数增长，在可预测的未来我们急需能够满⾜更⾼的传输速率，更⼤的带宽容量和更低延时的⽆线通信系统。⽽相⽐较第四代（4G），第五代（5G）移动通信需要在⽆线传输上取得突破性创新，以实现频谱效率和功率效率提升10倍以上的⽬标，其中，Massive MIMO(⼤规模天线技术，亦称为Large Scale MIMO)是第五代移动通信(5G)中提⾼系统容量和频谱利⽤率的关键技术。 本⽂将Massive MIMO技术的研究进⾏原理阐述，其中重点阐述MIMO技术在功率增益上的提⾼——波束成形（beamforming）和波束控制（beam steering）技术。
引⾔
随着信息技术系统的不断发展，⼈们对移动数据业务的需求也在不断增长。如何在4G基础上能做到更⾼的传输效率、更低的传输时延和更合理的能耗⽐例是对当前5G⽆线移动通信的极⼤挑战。
采⽤Massive MIMO技术是挖掘⽆线空间纬度资源、提⾼频谱资源利⽤率和功率利⽤的基本途径，MIMO技术可以提供供分集增益、复⽤增益和功率增益。分集增益可以提⾼系统的可靠性，复⽤增益可以⽀持
单⽤户空间复⽤和多⽤户的空分复⽤，⽽功率增益可以通过波束成形和波束控制提⾼系统的功率效率。
本⽂将重点阐述波束成形和波束控制原理。
多天线系统(MIMO)技术
MIMO系统模型结构如图1-1所⽰，MIMO 系统发送端和接收端都对应多根天线，图中的 MIMO系统具体包含Ｎ根发射天线和Ｍ根接收天线。在接收端，每根接收天线均收到来⾃Ｎ根发射天线的数据 , 所以不同的收发天线之间的信道对应不同的信道系数。 MIMO技术是⼀种将天线分集和空时技术相结合形成的特定技术，MIMO技术运⽤天线分集中的发射分集和接收分集技术，还将信道编码结合，对提升系统性能有很⼤优势。通信系统在接收端和发送端若
都采⽤MIMO技术，并且利⽤先拿个影的信号传输和处理技术，对空间资源的有效开发和多径效应的有效利⽤，可以在空中建⽴多条连接通路。可以在不增加发射功率和带宽的前提下，对通信系统的通信质量和数据传输速率进⾏多倍提升。 对于⽆线通信系统的多径效应：若通信传输中收发端都采⽤多天线技术，那么各天线之间保持⾜够的间距，那么多径信道中的分量⾜够多，那么对多径衰落都会呈现出相对独⽴的趋势。即，这些同频、同时、同信道的多径⼦信道之间能相互正交。
从⾹农公式到Massive MIMO
⾸先观察⾹农公式如下：
式中，C 代表信道也就是传输通道可传送的最⼤信息速率，简称为信道容量；B 代表信道也就是传输通道的带宽；S/N 代表接收信号的信噪⽐。从⾹农公式可知，对于单信道⽽⾔，要增加信道容量C，⽆⾮四种⽅式：或增⼤通信通道，或增加带宽B，或增加信号功率S，或减少噪声或⼲扰信号的功率N。
阵列天线若增⼤通信通道N，那么需要进⾏多通道扩展；若增⼤带宽B，则需要采⽤⼤带宽；若想增⼤信噪⽐，对于⼯程应⽤⽽⾔，增⼤信号强度S⽐减⼩噪声功率更易实现，对于终端来说通常采⽤增⼤接收功率的
⽅法。
那么需要达到这三个要求需要采⽤什么技术呢？⾸先对于多通道扩展，则需要使⽤空间复⽤，具体实现即MIMO技术；对于⼤带宽要求，则采⽤毫⽶波技术，加⼤发射功率并能有效增⼤带宽的需求；若想要增⼤发射功率，就需要查看另⼀个弗林斯传输公式:
由上式可知：若想增⼤接收功率，要么增⼤发射功率，要么增⼤收发端的增益，要么增⼤信号波长，要么缩短收发端的距离。但是对于⼯程⽽⾔，的发射功率是有限制要求的，所以增⼤发射功率不可取；由于低频频段的可⽤资源匮乏，所以增⼤信号波长也不现实；另外缩短到终端的距离是可以的，并且适⽤于⼩范围⾼密度区域。那么就只剩下从增益考虑去如何增⼤接收功率，对于接收端的增益相对⽐发射端增益实现会更加困难，则⼀般考虑增⼤发射增益。此时，由毫⽶波和增⼤发射增益的需求则引出⼀个重要的技术——beamforming技术。
所谓的Massive MIMO技术从实质⽽⾔，即是空间复⽤和波束赋形技术的结合——
MIMO＋beamforming。
Massive MIMO中的beamforming技术
Massive MIMO的定义：Massive MIMO利⽤MIMO技术并使⽤数⼗根甚⾄上百根天线将传统MIMO天线系统扩展为⼤规模天线矩阵，从⽽利⽤⼤规模天线矩阵所提供的波束赋形技术聚焦传输和接收信号的能量到有限区域来提⾼能量效率和传输距离，并利⽤MIMO空间复⽤技术提⾼传输效率。
① beamforming相⽐较传统天线的优势
由上图1-2可知，在传统的天线扇区覆盖中，天线的辐射范围近似于圆形。但是可以观察到，对于当前的终端⽽⾔，在整个扇区的覆盖范围内只有终端到的直线距离才算是有效覆盖，⽽旁边的其他覆盖可以说都是浪费掉了。但是如果换成如图1-3所⽰的多个阵列天线，实⾏专向的天线覆盖，那么从发射功率(PBS)的⾓度来看，⼆者相差了125倍。也即是说若以相同的功率发射，beamforming的天线可以覆盖更远的范围（增⼤了⼩区的覆盖范围），终端的接收效果也会有显著增强，对于边缘覆盖起到了良好作⽤。另外，因为beamforming是直接将信号发射给，那么也可以达到降低时延、抵抗⼲扰和提⾼传输速率的作⽤。
② beamforming实现原理
⾸先了解天线振⼦的概念，在MIMO技术中，往往使⽤的是半波振⼦。如图1-4是半波振⼦及其从俯视⾓观察到的辐射过程：
如图可以观察到，单个的半波振⼦在辐射过程中，会向外发射信号（蓝⾊为波⾕，红⾊为波峰）。
若将两个半波振⼦摆放⾄0.5⋋处并按相同相位发射，如图1-5：
图1-5 两个半波振⼦摆放在0.5⋋ 处，按相同相位
可以观察到，当两个半波振⼦摆放到0.5⋋的位置，采⽤相同相位来进⾏发射时，在垂直于振⼦⽅向上，发射信号是叠加的——波峰与波峰叠加，波⾕与波⾕叠加。但是在⽔平于振⼦⽅向上，发射信号波峰与波⾕叠加。由此会形成在垂直振⼦⽅向上由于波⾕和波⾕、波峰与波峰相互叠加，那么信号会得到增强；⽽在⽔平于振⼦⽅向上由于波峰与波⾕相互叠加，信号会得到衰减(或抵消)。由此，天线振⼦便形成了垂直⽅向上的⽅向性。
若将两个半波振⼦摆放⾄0.5⋋处并按相位差π的相位发射，如图1-6：
由上图可以观察到，当两个半波振⼦摆放⾄0.5⋋处并按相位差π的相位向外发射信号时，其信号叠加的情况恰于相位相同的情况相反：在垂直于振⼦⽅向上信号衰减(或抵消)，在⽔平于振⼦⽅向上信号增强。天线振⼦形成了⽔平⽅向上的⽅向性。
由以上图1-4、1-5、1-6可以总结出：增加半波振⼦的个数可以增强信号的发射功率；改变振⼦的相位
可以调整信号发射的⽅向。其中，将多个天线振⼦进⾏并列排布使发射信号形成⽅向性的技术被称为波束赋形(beamforming)；多个振⼦之间改变相对相位达到控制发射⽅向的技术被称为波束导向(beam steering)
③ beamforming——振⼦数量、距离及波束关系
⾸先观察图1-7:
如上图所⽰，当振⼦随着间距改变时，振⼦所发射的波束也随之变化：振⼦在0.5⋋位置时波束变化最集中，即主瓣；当振⼦间距逐渐扩⼤，波束会随之产⽣⼀些副波束，即主瓣加旁瓣结构。
图1-8展⽰了多振⼦改变间距产⽣的波束变化：
如上图所⽰，当振⼦数量改变时，振⼦发射的波束随着数量的增加和间距的增⼤，会使得主瓣变得更窄(增强)。
图1-9展⽰振⼦数量与其波束主瓣强度之间的变化关系：
如图所⽰，当振⼦数越多时，主瓣强度变化得越集中，但是在主瓣增强的过程中，旁瓣所占⽐例也越
来越⼤，即主瓣变得更窄了。综上，在设计天线振⼦的阵列排布时，需要考虑到振⼦数量和其排布间距之间的关系，根据实际情况进⾏最优排布。
④ beam steering——如何改变波束⽅向
如图所⽰，天线振⼦之间的距离为d，发射信号的主瓣⽅向与振⼦连线⽅向的垂直⽅向成θ，则：
⼀振⼦a与其相邻振⼦b发射信号的时间差；
振⼦a与振⼦b之间的相位差为，即；
将代⼊，则有：；
当d=λ/2时，有
由此，我们可以得出以下结论：
当d=λ/2时， 若Δφ=0，θ=0°；
若Δφ=π/2，θ=30°；
若Δφ=π，θ=90°
综合以上技术，以此产⽣了3D-beamforming的技术应⽤——⼀种基于三维空间的信号发射控制⽅式。
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