大规模（massive）MIMO 及波束成形推动射频处理变革
在 5G 通讯中，为了实现大容量、低延迟以及海量接入等性能，支持超高频的massive MIMO 技术将成为主流。在 massive MIMO 中，借助于高出现有 MIMO 天线数量 1 到 2 个数量级的天线技可有效弥补传播损耗并实现带宽的高效利用。
2014 年，三星在 massive MIMO 技术上获得了里程碑式的进展，在 28GHz 的频率上实现了 7.5Gbps 的连接速度，在 100km/h 的移动测试中录得 1.2Gbps。借助于三星自己开发的混合自适应天线阵列技术，三星在业界首次成功完成 28GHz 的高频实验，克服了毫米波长距离通信的困难。
2015 年，上海移动选用的华为 Massive MIMO 多天线系统单模块内置 128 个射频通道和 128 根天线，选择高楼林立，人口密度大的长寿路商圈进行现网试点，并率先采用 Massive MIMO 多扇区连续组网，重点验证了典型高层楼宇的 3D 覆盖、深度覆盖以及典型室外场景的覆盖能力及小区吞吐量的提升效果。
本次测试通过 3D 波束赋形等技术，利用一个 25 米高的基站实现了 75 米高楼的立体式覆盖和周边水平道路覆盖，小区吞吐量达到 630Mbps，有效解决了现网多个基站才能解决的问题。部署方式复用了现网站址资源，充分利旧现网机柜、电源、光纤，以及核心网和传输资源，大大节省了整体工程成本。
Massive MIMO 及 Beamforming 技术的应用使 5G 高频毫米波的应用成为可能，同时也带动了射频技术的革命。相比于传统的射频前端，在 5G 中射频前端将要完成更精确的信号同步以及更多路的信号处理能力。相较于传统无线通信以及支持 MIMO 的 4G LTE 对射频器件数量上的需求将更高，也因此带来集成度、小型化要求的提升。
参考中国报告网发布《2018-2023年中国信息通信行业发展调研与投资规划研究报告》
鉴于 massive MIMO 配合波束成形来补偿毫米波传输过程中严重的耗散缺点， RF 的设计中必须考虑波束成形（beam forming）。波束成形，源于自适应天线的一个概念。接收端的信号处理，可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，形成所需的理想信号。
从天线方向图(pattern)视角来看，这样做相当于形成了规定指向上的波束。天线的尺寸是由电磁波信号的波长决定的，因此毫米波与波束成形技术将在手机终端等便携设备中做到完美融合。波束成形的技术可分为模拟波束成形、数字波束成形以及混合波束形成。
模拟波束成形中，移相器操作在 RF 频带，且在主讯号的路径上，优点是架构比较简单，混频器的数目少，缺点是移相器因为操作在高频，损耗较大，因此主讯号路径损耗大，且高频移相器相位分辨率较低。
数字波束成形中，移相器在数字处理，优点是场型实现的自由度最高，缺点则是每一路都需要 RF 链(Chain)，另外，每一路都需要额外的数字/模拟转换器(D/A Converter)来处理讯号，因此更耗电，尤其当系统带宽越宽的时候，更显严重。
混合波束成形(Hybrid Beam forming)，移相器在数字及射频路径，结合数字与射频波束成形架构，将波束成形在数字与射频当中取得优化，且能够弹性的支持多波束/多使用者，通常在巨量多数入多输出系统最为常见。
综上所述，毫米波由于其具备丰富的频谱资源支持超过带宽对于在 5G 中的应用具备极高的吸引力。
同时，由于天线尺寸与波长成正比，因此毫米波的应用使得多天线的设计在手机端成为可能，同时在基站端也将降低功耗。鉴于 massive MIMO 及波束成形技术的应用，5G 射频中一方面将引入更多的射频单元，相互之间的协同和同步要求大幅提升；另一方面，波束成形的考量将成为射频设计中新的挑战。
在 5G 通讯中，为了实现大容量、低延迟以及海量接入等性能，支持超高频的massive MIMO 技术将成为主流。在 massive MIMO 中，借助于高出现有 MIMO 天线数量 1 到 2 个数量级的天线技可有效弥补传播损耗并实现带宽的高效利用。
2014 年，三星在 massive MIMO 技术上获得了里程碑式的进展，在 28GHz 的频率上实现了 7.5Gbps 的连接速度，在 100km/h 的移动测试中录得 1.2Gbps。借助于三星自己开发的混合自适应天线阵列技术，三星在业界首次成功完成 28GHz 的高频实验，克服了毫米波长距离通信的困难。
图：massive MIMO 应用场景示意图
图：混合波束成形射频传输示意图
2015 年，上海移动选用的华为 Massive MIMO 多天线系统单模块内置 128 个射频通道和 128 根天线，选择高楼林立，人口密度大的长寿路商圈进行现网试点，并率先采用 Massive MIMO 多扇区连续组网，重点验证了典型高层楼宇的 3D 覆盖、深度覆盖以及典型室外场景的覆盖能力及小区吞吐量的提升效果。
本次测试通过 3D 波束赋形等技术，利用一个 25 米高的基站实现了 75 米高楼的立体式覆盖和周边水平道路覆盖，小区吞吐量达到 630Mbps，有效解决了现网多个基站才能解决的问题。部署方式复用了现网站址资源，充分利旧现网机柜、电源、光纤，以及核心网和传输资源，大大节省了整体工程成本。
图：瑞典隆德大学——基于 USRP RIO 的大规模 MIMO 测试台
Massive MIMO 及 Beamforming 技术的应用使 5G 高频毫米波的应用成为可能，同时也带动了射频技术的革命。相比于传统的射频前端，在 5G 中射频前端将要完成更精确的信号同步以及更多路的信号处理能力。相较于传统无线通信以及支持 MIMO 的 4G LTE 对射频器件数量上的需求将更高，也因此带来集成度、小型化要求的提升。
图：大规模 MIMO 系统关键属性
图：32x32 大规模 MIMO 系统示意图
参考中国报告网发布《2018-2023年中国信息通信行业发展调研与投资规划研究报告》
鉴于 massive MIMO 配合波束成形来补偿毫米波传输过程中严重的耗散缺点， RF 的设计中必须考虑波束成形（beam forming）。波束成形，源于自适应天线的一个概念。接收端的信号处理，可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，形成所需的理想信号。
从天线方向图(pattern)视角来看，这样做相当于形成了规定指向上的波束。天线的尺寸是由电磁波信号的波长决定的，因此毫米波与波束成形技术将在手机终端等便携设备中做到完美融合。波束成形的技术可分为模拟波束成形、数字波束成形以及混合波束形成。
图：模拟、数字和混合波束成形示意图
模拟波束成形中，移相器操作在 RF 频带，且在主讯号的路径上，优点是架构比较简单，混频器的数目少，缺点是移相器因为操作在高频，损耗较大，因此主讯号路径损耗大，且高频移相器相位分辨率较低。
数字波束成形中，移相器在数字处理，优点是场型实现的自由度最高，缺点则是每一路都需要 RF 链(Chain)，另外，每一路都需要额外的数字/模拟转换器(D/A Converter)来处理讯号，因此更耗电，尤其当系统带宽越宽的时候，更显严重。
混合波束成形(Hybrid Beam forming)，移相器在数字及射频路径，结合数字与射频波束成形架构，将波束成形在数字与射频当中取得优化，且能够弹性的支持多波束/多使用者，通常在巨量多数入多输出系统最为常见。
综上所述，毫米波由于其具备丰富的频谱资源支持超过带宽对于在 5G 中的应用具备极高的吸引力。
同时，由于天线尺寸与波长成正比，因此毫米波的应用使得多天线的设计在手机端成为可能，同时在基站端也将降低功耗。鉴于 massive MIMO 及波束成形技术的应用，5G 射频中一方面将引入更多的射频单元，相互之间的协同和同步要求大幅提升；另一方面，波束成形的考量将成为射频设计中新的挑战。
资料来源：中国报告网整理，转载请注明出处（GQ）
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