超大規(guī)模天線還能給5G帶來(lái)什么？

回看無(wú)線電通信技術(shù)，從1895年意大利科學(xué)家馬可尼向大洋彼岸拍出第一封無(wú)線電報(bào)以來(lái)，其已經(jīng)走過(guò)了120多個(gè)年頭，在社會(huì)生活、航空航天、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮了無(wú)可替代的作用。而與普通人貼近的移動(dòng)通信，則給我們的生活與工作帶來(lái)了極大的便利，如今的人類完全無(wú)法想象沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)的生活會(huì)是什么樣子。

在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，整個(gè)系統(tǒng)最前端關(guān)鍵的部分——天線，也從未停下升級(jí)的腳步。天線承載著通信系統(tǒng)收發(fā)信號(hào)的重要作用，所有通信數(shù)據(jù)都需要通過(guò)天線來(lái)進(jìn)行傳輸，因此天線性能的好壞直接影響著整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)的性能。天線的發(fā)展也從最初的全向天線、單頻單通道，到現(xiàn)在的多頻多通道、大規(guī)模天線技術(shù)等。

隨著信息化、數(shù)字化、大數(shù)據(jù)的不斷進(jìn)展，天線技術(shù)的發(fā)展也有了更高的要求，通信系統(tǒng)不斷向更高的頻段，更大的帶寬進(jìn)行發(fā)展。為了應(yīng)對(duì)逐漸復(fù)雜的場(chǎng)景變化，比如樓宇內(nèi)信號(hào)差情形，廣域的高通信質(zhì)量需求等，大規(guī)模天線技術(shù)的需求不斷疊加。很多讀者可能不太了解大規(guī)模天線技術(shù)是什么，它給產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了什么價(jià)值，和5G又有什么關(guān)系，以及未來(lái)會(huì)有什么趨勢(shì)變化。我們今天就就著這些話題一起探討一下。

Massive MIMO技術(shù)價(jià)值幾何？

在討論大規(guī)模天線技術(shù)以及帶給產(chǎn)業(yè)的價(jià)值前，先來(lái)簡(jiǎn)單介紹下大規(guī)模天線技術(shù)（Massive MIMO）的含義。在基站中采用大規(guī)模的天線陣列被稱為Massive MIMO，為了便于理解，我們從區(qū)別傳統(tǒng)設(shè)備的角度來(lái)剖析，大規(guī)模天線技術(shù)主要有兩個(gè)關(guān)鍵的變化：

1.天線數(shù)列的變化。與傳統(tǒng)設(shè)備的2天線、4天線、8天線相比，采用Massive MIMO技術(shù)的通道數(shù)可達(dá)32或者64，天線陣子數(shù)可做到192、512甚至更高，其增益大大超越傳統(tǒng)設(shè)備。

2.信號(hào)覆蓋的維度方面。從之前只能水平方向的移動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较蚝痛怪笨沼虻囊苿?dòng)，信號(hào)的輻射呈電磁波束。

Massive MIMO這個(gè)技術(shù)的功能主要是用來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋、用戶體驗(yàn)、系統(tǒng)容量的作用，目前該技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，比如4G時(shí)代人們?nèi)粘Ｉ钪兄饕玫耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi熱點(diǎn)。從理論上來(lái)看天線的數(shù)量對(duì)通信系統(tǒng)的頻率效率，傳輸速率，可靠性都有直接的影響。為了保證通信服務(wù)質(zhì)量，通信基站會(huì)配備了大量的天線，用于提高通信頻譜的效率。而采用Massive MIMO技術(shù)可以使通信波數(shù)集中在規(guī)劃的范圍內(nèi)，有效避免信號(hào)在不同區(qū)域之間的干擾問(wèn)題，降低通信的傳輸功率。從應(yīng)用場(chǎng)景的角度來(lái)描述的話，大規(guī)模天線技術(shù)的價(jià)值主要包括：

1.在城區(qū)覆蓋的場(chǎng)景中，比如在城市環(huán)境中的寫(xiě)字樓，用戶在空間上立體分布，人員密集但是分布比較分散。傳統(tǒng)設(shè)備因?yàn)閴w的損耗，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋相對(duì)比較差，大規(guī)模天線技術(shù)可以在這類場(chǎng)景中滿足高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸需求，極大地提升了城市用戶的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。

2. 局部熱點(diǎn)方面，主要針對(duì)的是大型賽事、演唱會(huì)、商場(chǎng)、露天集會(huì)、交通樞紐等用戶密度高的區(qū)域。這些地方干擾多、地形復(fù)雜，人員流動(dòng)分散，整體的傳輸數(shù)據(jù)量大，大規(guī)模天線技術(shù)可以為其提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)，帶給用戶網(wǎng)上沖浪的快感。

3. 郊區(qū)覆蓋與無(wú)線回傳的場(chǎng)景中，郊區(qū)覆蓋主要解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的無(wú)線傳輸問(wèn)題，無(wú)線回傳主要解決基站之間的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，特別是宏站與Small Cell之間的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。

大規(guī)模的天線技術(shù)應(yīng)用提高了網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力和通信系統(tǒng)的能力，也可以幫助通信運(yùn)營(yíng)商充分利用現(xiàn)有的基站地址和頻譜資源，這為5G通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)提供了巨大的資源便利，也深刻影響了基站天線行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

5G帶來(lái)逐漸提升的競(jìng)爭(zhēng)力

5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)正在如火如荼地進(jìn)行中，我們可以看到5G的應(yīng)用已經(jīng)深入到萬(wàn)千行業(yè)中，比如工業(yè)制造、醫(yī)療領(lǐng)域、礦產(chǎn)能源等，5G為行業(yè)帶來(lái)了效率和成本的改造，在這些產(chǎn)業(yè)不斷深入發(fā)展趨勢(shì)的背景下，也深刻影響了基站天線產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我們知道5G最大的核心特征是廣連接、低時(shí)延、大帶寬，而大帶寬的能力與Massive MIMO的多通道能力完美地契合成為5G特性的放大器。

我們知道在4G時(shí)代多天線技術(shù)就被引入，最大的改變就是提高了小區(qū)峰值速率和小區(qū)邊緣覆蓋性能。到了5G時(shí)代，隨著部署頻段的升級(jí)，多天線技術(shù)的規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，Massive MIMO為用戶帶來(lái)了更好的立體網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能和效率體驗(yàn)。比如在地鐵的場(chǎng)景中，華為與電信聯(lián)手的Massive MIMO技術(shù)引入有效解決了室內(nèi)5G小區(qū)間的干擾問(wèn)題，用戶的網(wǎng)絡(luò)速率提升40%以上，這個(gè)場(chǎng)景的成果也可以復(fù)制到商超、餐飲店、體育場(chǎng)等場(chǎng)景中，為用戶和產(chǎn)業(yè)帶來(lái)多場(chǎng)景5G升級(jí)的千兆體驗(yàn)。

5G時(shí)代，也需要把多天線的技術(shù)帶入到網(wǎng)絡(luò)通信的各個(gè)頻段中，在這些各類頻段中去釋放大帶寬的能力與體驗(yàn)。在產(chǎn)業(yè)的實(shí)踐中，5GMassive MIMO設(shè)備的基站尺寸有新的革新，變得更加小巧，降低了5G網(wǎng)絡(luò)的更新部署成本并且?guī)?lái)了相對(duì)4G十倍的體驗(yàn)升級(jí)。

在室外場(chǎng)景中，我們知道城市化的建設(shè)中，有很多人流密集的地方，比如景區(qū)、交通樞紐等，這類地方的特點(diǎn)是在一些時(shí)間點(diǎn)會(huì)有成百上千的人同時(shí)駐留集中，從而在某一個(gè)區(qū)域產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量。在這類的場(chǎng)景中無(wú)線環(huán)境比較復(fù)雜，人的流動(dòng)比較大，通過(guò)更加密集化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施以及5G Massive MIMO部署方式，可以解決網(wǎng)絡(luò)容量集中且大的需求。

Massive MIMO在這些場(chǎng)景中的實(shí)踐應(yīng)用，我們可以發(fā)現(xiàn)其不斷提升的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。在實(shí)際的落地應(yīng)用中，不僅僅帶來(lái)了5G價(jià)值的升級(jí)，也為一些5GtoB的業(yè)務(wù)探明了方向。而在未來(lái)Massive MIMO也會(huì)持續(xù)地升級(jí)迭代，不僅僅是天線規(guī)模的增加，也會(huì)向創(chuàng)新的天線陣列實(shí)現(xiàn)方式、創(chuàng)新的部署形式、創(chuàng)新的應(yīng)用等發(fā)展。朝著超大規(guī)模天線進(jìn)一步演進(jìn)升級(jí)，提供更高的頻譜效率、能量效率以及更多的創(chuàng)新應(yīng)用。

深入未來(lái)的數(shù)智空間

對(duì)于無(wú)線通信領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，未來(lái)主要的發(fā)展基調(diào)是向著帶寬和速率更快、更強(qiáng)的方向發(fā)展。Massive MIMO在這個(gè)發(fā)展的基調(diào)上，技術(shù)層面也會(huì)向著超大規(guī)模的方向邁進(jìn)，同時(shí)在低碳環(huán)保的數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢(shì)下，深入綠色環(huán)保、低碳節(jié)能的方向，具體而言包含以下三個(gè)方向：

1.不斷滿足后5G、6G時(shí)代新場(chǎng)景與新應(yīng)用的需求。超大規(guī)模天線技術(shù)的提出是基于未來(lái)數(shù)字時(shí)代新場(chǎng)景與應(yīng)用的需求，隨著天線數(shù)量與芯片集成度的不斷提升，通過(guò)部署超大規(guī)模的天線陣列，應(yīng)用新的材料與工具，通信的頻譜效率與網(wǎng)絡(luò)覆蓋都可以得到極大的升級(jí)，向著更廣泛、更靈活、更高的精度與能耗效率等方向提升。舉例來(lái)說(shuō)，Massive MIMO具備在三維空間內(nèi)進(jìn)行波束調(diào)整的能力，超大規(guī)模的天線技術(shù)還可以提供非地面覆蓋的服務(wù)，比如無(wú)人機(jī)、客機(jī)、地軌衛(wèi)星等的通信服務(wù)。從用戶的角度來(lái)看，分布式的超大規(guī)模天線也可以提供更高的空間分辨率，什么意思呢？就是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式也有可能向著由網(wǎng)絡(luò)中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂脩魹橹行牡姆绞桨l(fā)展，精準(zhǔn)地覆蓋個(gè)體用戶網(wǎng)絡(luò)的需求。

2.智能化方向的演進(jìn)。隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的不斷進(jìn)化和深入發(fā)展，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化也將向著支持自動(dòng)配置、自動(dòng)部署、自動(dòng)優(yōu)化等網(wǎng)絡(luò)智能化的方向演進(jìn)。而潛在的一些新的應(yīng)用場(chǎng)景將出現(xiàn)，集中式和分布式超大規(guī)模天線靈活部署，將進(jìn)一步滿足信息應(yīng)用的需求，為新的應(yīng)用提供更好的覆蓋和連接性能。尤其是在應(yīng)急通信場(chǎng)景中，超大規(guī)模天線在空地一體化場(chǎng)景的應(yīng)用與衛(wèi)星通信的結(jié)合業(yè)務(wù)中，為用戶提供無(wú)處不在的鏈接。

3.低碳綠色的發(fā)展。綠色Massive MIMO需要在站點(diǎn)、功率多方面進(jìn)行突破式創(chuàng)新。Massive MIMO的技術(shù)需要向在更窄的業(yè)務(wù)信道演進(jìn)，從而降低基站的發(fā)射功率，進(jìn)而降低基站的能耗。而面向基站的建設(shè)成本，需要技術(shù)的迭代推動(dòng)覆蓋范圍的最大化，使其發(fā)射功率和覆蓋范圍能夠達(dá)到最低功耗的配置。與此同時(shí)也需要確保運(yùn)營(yíng)商效益與用戶體驗(yàn)的升級(jí)。這種多贏的局面需要產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的不斷打磨升級(jí)，無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)的價(jià)值進(jìn)化任重道遠(yuǎn)。

超大規(guī)模天線技術(shù)的發(fā)展，給未來(lái)的數(shù)字世界帶來(lái)很多的想象空間，可能在未來(lái)，我們?cè)诔鞘锌臻g的任何角落中都能流暢無(wú)阻礙進(jìn)入數(shù)字世界，視頻會(huì)議、大型游戲、視頻內(nèi)容的下載，甚至是元宇宙數(shù)字世界的遨游都不再被密集的人群和高數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)需求限制。

通信產(chǎn)業(yè)的終極形態(tài)到底是什么樣子？超大規(guī)模天線技術(shù)的產(chǎn)業(yè)形態(tài)會(huì)長(zhǎng)成什么模樣？我們能夠預(yù)測(cè)窺探到的也只是一小部分。從3G到4G時(shí)代的跨越將近用了6年的時(shí)間，現(xiàn)在正在由4G 向5G跨越中，這些年通信能力、網(wǎng)絡(luò)速率的不斷升級(jí)改造帶給我們數(shù)字生活極大地變化。從資訊內(nèi)容的角度來(lái)看，從剛開(kāi)始文字的盛行到圖片再到視頻的極度發(fā)展，我們獲取信息的效率和內(nèi)容的呈現(xiàn)形式都發(fā)生了顛覆的改變。而未來(lái)在超大規(guī)模天線技術(shù)賦能的6G時(shí)代，數(shù)字世界將會(huì)如何變化，能寫(xiě)出來(lái)的也只是冰山一角，更大的產(chǎn)業(yè)潛能如何釋放，想象力實(shí)在是有限，空白的大腦只剩下對(duì)未來(lái)的期待。