互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)的深度融合，催生了廣大移動用戶對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)近乎無止境的需求，同時令原本為通信而生的移動網(wǎng)絡(luò)逐步向傳媒的方向演進(jìn)。雖然4G網(wǎng)絡(luò)的逐步建成，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模趨于穩(wěn)定，但頻率資源緊缺、能源的巨大消耗以及網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化問題卻不容忽視。世界各國在推動4G產(chǎn)業(yè)化的同時，已開始著眼于新一代無線移動通信技術(shù)的研究，力求使移動通信系統(tǒng)性能和產(chǎn)業(yè)規(guī)模產(chǎn)生新的飛躍，5G概念呼之欲出。根據(jù)我國IMT-2020（5G）推進(jìn)組的定義，5G需要具備比4G 更高的性能，支持0.1～1 Gbit/s 的用戶體驗(yàn)速率，每平方千米一百萬的連接數(shù)密度，毫秒級的端到端時延，每平方千米數(shù)十Tbit/s的流量密度，500 km/h以上的移動性和數(shù)十Gbit/s的峰值速率。在關(guān)鍵技術(shù)方面，超密集組網(wǎng)、大規(guī)模MIMO、非正交傳輸、高頻段通信、C-RAN、SDN/NFV、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）等均被認(rèn)為是5G的潛在關(guān)鍵技術(shù)。就空中接口而言，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)通過使用空間復(fù)用和減輕干擾，是解決無線數(shù)據(jù)服務(wù)指數(shù)增長問題的最重要的技術(shù)之一。而陣列天線是大規(guī)模MIMO的必要條件，天線的設(shè)計方案及對于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)十分重要，甚至直接影響到5G系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

1 大規(guī)模MIMO 研究進(jìn)展

作為5G移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，大規(guī)模MIMO的研究與標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程與5G同步進(jìn)行，吸引著全球范圍內(nèi)政府機(jī)構(gòu)、研究組織、運(yùn)營商和設(shè)備廠商的持續(xù)關(guān)注和投入。

國際方面，2012年，ITU、3GPP開始組織全球業(yè)界開展5G標(biāo)準(zhǔn)化前期研究。同年，歐洲推動METIS計劃發(fā)展5G，并于2014年成立5GPPP，聯(lián)合ICT行業(yè)、中小企業(yè)和歐盟委員會合作推動歐洲的5G技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。美國在5G發(fā)展上主要由芯片商高通和運(yùn)營商Verizon 主導(dǎo)，與思科、諾基亞、三星等設(shè)備廠商合作，計劃2016年進(jìn)行5G外場測試，2017年開展5G試商用。

國內(nèi)方面，2013年，中國成立IMT-2020（5G）推進(jìn)組，2014 年發(fā)布5G 愿景與需求白皮書，宣布2016—2018年分3個階段進(jìn)行：5G關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)、5G技術(shù)方案驗(yàn)證和5G系統(tǒng)驗(yàn)證。其中計劃從2017年開始開展5G外場試驗(yàn)，基于3.5 GHz頻譜，設(shè)備內(nèi)置128/256單元大規(guī)模密集陣列。同時，在5G高頻段方面，推進(jìn)組開始了關(guān)于毫米波和大規(guī)模MIMO的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，包括高頻段通信技術(shù)專題組和大規(guī)模天線技術(shù)專題組。

標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展方面，在3GPP中大規(guī)模MIMO的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程分階段展開。

階段1：三維信道模型標(biāo)準(zhǔn)化，于2013年9月啟動研究，為后續(xù)的3D-MIMO 和大規(guī)模MIMO 研究做準(zhǔn)備，已于2014年9月完成。

階段2：3D-MIMO的標(biāo)準(zhǔn)化，已立項(xiàng)研究，包括更多的天線端口數(shù)（16~32個）、3D-MIMO的設(shè)計方案及性能評估等，已在R13版本中引入。

階段3：大規(guī)模MIMO標(biāo)準(zhǔn)化，在階段2的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加天線數(shù)量（如128、256個），實(shí)現(xiàn)10個或更多用戶的多用戶傳輸。大規(guī)模MIMO標(biāo)準(zhǔn)化的具體間點(diǎn)與5G系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的整體計劃息息相關(guān)，預(yù)計在R14/15版本開展研究，并在2019年前完成。樣機(jī)試驗(yàn)方面，愛立信于2014年推出5G原型機(jī)，同年7月，在15 GHz頻譜上實(shí)現(xiàn)了5 Gbit/s的吞吐率。

2015年2月，實(shí)現(xiàn)了5G、LTE雙連接和5G多點(diǎn)連接，隨后在6月又實(shí)現(xiàn)了一臺5G移動設(shè)備同時連接到多個5G蜂窩基站，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)連接。2016年，愛立信使用波束賦形技術(shù)以及MU-MIMO和大規(guī)模MIMO等技術(shù)測試5G性能，峰值下行速度超過了25 Gbit/s。華為攜手中國移動在2014年9月完成全球首次Massive MIMO多天線解決方案應(yīng)用于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的演示。2015年10月，華為在成都開展了5G空口新技術(shù)的外場驗(yàn)證，基于MU-MIMO技術(shù)，在6 GHz以下頻段宏蜂窩組網(wǎng)場景支持同時接入24 個UE 終端，在100MHz帶寬下，單小區(qū)平均下行吞吐量達(dá)到1.34Gbit/s，峰值下行吞吐量達(dá)到3.6 Gbit/s。2016年5月，中國聯(lián)通與華為開展了5G實(shí)驗(yàn)室以及外場聯(lián)合測試，聚焦在6 GHz以下C頻段3.5 GHz MassiveMIMO技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了5 Gbit/s以上的單用戶峰值速率，多用戶峰值速率達(dá)到10 Gbit/s 以上。

從目前的進(jìn)展來看，5G的商用時間預(yù)計在2019—2020 年，LTE FDD 及TD-LTE 兩大4G 制式最終將統(tǒng)一，宏站覆蓋場景的基站天線形態(tài)將采用規(guī)模密集陣列，其內(nèi)部的輻射部分、幅相耦合網(wǎng)絡(luò)、TR組件部分將通過分層設(shè)計實(shí)現(xiàn)。

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2 MIMO 系統(tǒng)技術(shù)原理

3 大規(guī)模MIMO 天線設(shè)計

4 大規(guī)模MIMO 天線對5G 系統(tǒng)的影響

5 總結(jié)及展望

淺析大規(guī)模MIMO天線設(shè)計及對5G系統(tǒng)的影響.pdf