1.4 多天线及波束赋形技术的应用与发展趋势
由于多天线技术在提升峰值速率、系统频谱利用效率与传输可靠性等方面具有巨大优势，该技术目前已被广泛地应用于几乎所有主流的无线接入系统中。对于构建在OFDM+MIMO构架之上的LTE系统而言，MIMO作为其标志性技术之一，在LTE的几乎所有发展阶段都是其最核心技术。MIMO技术对于提高数据传输的峰值速率与可靠性、扩展覆盖、抑制干扰、增加系统容量、提升系统吞吐量都发挥着重要作用。MIMO技术的性能增益来自于多天线信道的空间自由度，因此扩展MIMO维度一直是该技术标准化和产业化发展的一个重要方向。随着数据传输业务与用户数量的激增，未来移动通信系统将面临更大的技术挑战。在此技术发展背景之下，大规模天线波束赋形理论应运而生。
2010年Bell实验室的Marzetta教授提出可在基站使用大规模天线阵列构成大规模MIMO（Massive MIMO）系统以大幅度提高系统的容量[10]，由此开创了Massive MIMO技术理论。Massive MIMO是指采用大规模天线阵列的MIMO技术，其设计思路类似于扩频通信。在扩频通信技术中，发射机利用伪随机序列使信号趋于白化，使信号可以以极低的SINR隐没于噪声和干扰之中，而又能被接收机检测出来。而Massive MIMO则利用大规模阵列使信号的空间分布趋于白化，随着基站天线数量的增加，各用户的信道系数向量之间逐渐趋于正交，高斯噪声以及互不相关的小区间干扰趋于可以忽略的水平，因此系统内可以容纳的用户数量剧增，而给每个用户分配的功率可以任意小。研究结果表明[10]，若基站配置400根天线，在20MHz带宽的同频复用TDD系统中，每小区用MU-MIMO方式服务42个用户时，即使小区间无协作，且接收/发送只采用简单的MRC/MRT（Maximum Ratio Combining/Maximum Ratio Transmission）时，每个小区的平均容量也可高达1800Mbit/s。从波束形态的角度也可以解释Massive MIMO获得巨大增益的原因：随着阵列规模趋于无限大，基站侧形成的波束将变得非常窄细，将具有极高的方向选择性及赋形增益。这种情况下，多个UE之间的多用户干扰将趋于无限小。
Massive MIMO技术被提出后，立刻成为学术界与产业界的一大热点。2010至2013年间，Bell实验室、瑞典的Lund大学、Linkoping大学、美国的Rice大学等引领着国际学术界对Massive MIMO信道容量、传输、检测与CSI获取等基本理论与技术问题进行了广泛的探索。在理论研究基础之上，学术界还积极开展了针对Massive MIMO技术的原理验证工作。Lund大学于2011年公开了其基于大规模天线信道实测数据的分析结果[10]，该试验系统的基站采用128根天线的二维阵列，由4行16个双极化圆形微带天线构成，用户采用单天线。信道的实测结果表明，当总天线数超过用户数的10倍后，即使采用ZF或MMSE线性预编码，也可达到最优的DPC（Dirty Paper Coding）容量的98%。该结果证实了当天线数达到一定数目时，多用户信道具有正交性，进而能够保证在采用线性预编码时仍可逼近最优DPC容量，由此验证了Massive MIMO的可实现性。2012年Rice大学、Bell实验室与Yale大学联合构建了基于64天线阵子的原理验证平台（Argos）[12]，能够支持15个单天线终端进行MU-MIMO。根据对经过波束赋形之后的接收信号、多用户干扰与噪声的实测数据，该系统的和容量可以达到85bit/（s·Hz），而且在总功率为1/64的情况下也可以达到SISO系统频谱效率的6.7倍。
中国通信企业和高校在多天线的应用方面处于业界领先地位。1998年，大唐电信集团代表中国提出的TD-SCDMA 3G国际标准开始首次在全球将智能天线波束赋形技术引入蜂窝移动通信系统，并且大唐电信集团等中国企业在2006年开始在TD-LTE 4G标准中将其拓展到8天线多流波束赋形技术，实现了波束赋形与空间复用的深度融合。该技术在国际上领先，性能得到业界认可，且已经在全球商用。目前大部分商用FDD LTE仍采用两天线（部分采用4天线）。在多天线技术方面，FDD LTE落后于TD-LTE。可见，TD-LTE的多天线多流波束赋形技术成果为我国企业在5G大规模多天线及波束赋形的技术研究、标准与产业上取得了先机。
在5G移动通信的研发过程中，中国对于大规模天线波束赋形技术的研究和推进工作也非常重视，陆续设立了多项“863”和“国家科技重大专项课题”支持相关研发工作。2013年成立的IMT-2020推进组中，专门设立了大规模天线技术专题组，负责组织企业和高等院校及科研院所进行大规模天线关键技术研究、系统方案设计和推进工作。在上述研究工作基础之上，工信部制定了我国5G技术研发与试验工作总体计划，进一步将大规模天线技术等IMT-2020系统的核心技术推向实用化发展道路。根据此总体规划，5G试验分技术研发试验和产品研发试验两大阶段。
第一步主要由中国信息通信研究院主导，运营企业、设备企业及科研机构共同参与，在2015—2018年期间会分三个子阶段开展工作：第一阶段已在2016年9月基本完成，主要针对5G的重点技术，包括大规模天线、新型多址、新型多载波、高频段通信等7项无线关键技术及4项网络关键技术进行了单点的样机性能和功能验证；第二阶段是2016年6月至2017年9月，融合了多种关键技术，开展单基站性能测试；第三阶段是2017年6月至2018年12月，是对5G系统的组网技术性能进行测试，并且对5G典型业务进行演示。
产品研发试验阶段安排在2018—2020年间，在技术研发试验的基础之上，针对产业化需求，进行针对产品研发的试验验证和外场试验。此阶段将会由运营商来主导，最终将为5G系统的商用奠定基础。
在上述计划中，大规模天线始终是各大企业的研发与测试验证的重要技术方向。例如，大唐电信集团在第一阶段测试中采用的5G基站验证平台支持业界规模最大的256天线有源天线阵列，在3.5GHz频段的100MHz带宽上，可以支持20个数据流的并行传输，频谱效率达到4G（4th Generation）LTE系统的7～8倍。