前言
从移动电话的出现到短信，再到移动上网和微信、移动支付等各类新型业务和应用的兴起以及用户数量规模的迅猛增长，推动着移动通信系统从1G到4G的持续升级与革新。如今4G系统的移动互联网业务发展方兴未艾，5G的步伐就已悄然临近。5G通过高速数据传输，实现丰富的多媒体移动互联网业务，同时通过海量连接和低时延、高可靠技术把人与人的无线连接拓展到人与物、物与物，并与云计算、大数据、人工智能、区块链等结合，即将开启“万物智联”的移动时代新篇章。
为了应对系统容量和用户通信速率不断增加的需求压力与挑战，拓展和充分利用无线信道资源是无线传输设计中最为核心的两个问题。而移动通信系统的研究与标准化发展也始终在围绕着增加频谱资源与提升频谱效率这两条主线推进。随着6GHz以下频段资源的日益紧张，5G系统要进一步将频谱资源扩展至高达100GHz的新频段。同时，5G系统也将通过新型的多天线传输、多址接入、编码调制、密集组网等技术手段，更为有效地提升无线频谱资源的利用效率。
决定无线链路传输效能的根本因素在于其信道容量。20世纪90年代，多天线信息理论研究成果证明了在无线通信链路的收、发两端均使用多个天线的通信系统所具有的信道容量将远远超越传统单天线系统信息传输能力极限，多天线技术对于提升传输速率、传输可靠性和系统频谱效率及抑制干扰等具有十分重要的作用。该理论为多天线技术的发展提供了坚实的基础，展现了其在高速无线接入系统中的广阔应用前景。
多输入多输出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）技术的性能增益来自于多天线信道的空间自由度。因此，对MIMO空间维度的持续扩展是无线通信系统提升容量和提高效率的重要手段，也是标准化演进过程的一个重要方向。而近年来出现的Massive MIMO理论则为进一步扩展MIMO空间维度的发展路线提供了充足的理论依据。
Massive MIMO理论展示了MIMO技术在提升系统容量、频谱利用率与用户体验方面的巨大潜力。因此，该理论出现之后，立即受到了学术界与产业界的热烈追捧，并被公认为未来移动通信系统最有潜力的物理层关键技术之一。
根据天线阵列内天线间距的大小和部署方式，Massive MIMO技术通常分为分布式Massive MIMO和集中式Massive MIMO技术。分布式Massive MIMO通常指大规模天线的多根天线在地理位置上距离比较大（远远大于10个波长距离），天线间相关性较弱，通过形成大规模多天线阵列的单用户空分复用方式来提升系统传输速率和容量。而集中式Massive MIMO技术通过将大数量天线间密集排列（如0.5波长左右），从而形成小间距的天线阵列形式。通过这种集中式Massive MIMO天线，能够产生空间分辨能力更强的窄细波束，从而能够利用多个波束的空分多址方式，在空域实现更多用户的并行传输，以及大幅度提升系统容量。因此，集中式Massive MIMO也被称为大规模天线波束赋形技术（简称大规模天线）。基于大规模天线系统进行波束赋形被认为是Massive MIMO技术的主要实现形式。
根据大规模天线波束赋形理论，随着天线数量的无限增长，各个用户的信道向量将逐渐趋于正交，从而使多用户干扰趋于消失。同时，在巨大的天线增益下，加性噪声的影响也将变得可以忽略。因此，无线系统的发射功率可以任意低，而大量用户可以在近乎没有干扰和噪声的理想条件下进行通信，从而极大地提升了系统容量和频谱利用效率。
近几年来，经过学术界与产业界的共同努力，关于大规模天线波束赋形技术的信道容量、能效与谱效优化、传输与检测算法等方面的研究工作已经开展得比较充分，同时业界也从信道建模和评估等基础性工作方面对后续的技术研究和标准化推进进行了大量准备，而相应的技术验证与原型平台开发，以及大规模外场实测和初步部署也在积极地进行中。
在上述基础之上，产业界对相关技术的标准化给出了明确的推进计划，并已经在LTE的增强系统中率先完成了大规模天线技术初步版本的标准化方案。而在面向5G系统的标准化研究工作中，3GPP等标准化组织仍然将大规模天线波束赋形技术作为最重要的工作方向之一。目前，在NR（New Radio）系统的第一个版本中，已经制定了能够支持100GHz以下频段的MIMO技术国际标准。在5G NR系统的后续演进中，会进一步将其扩展至多点协作等更为广阔的应用场景中，开展对信道信息反馈和波束管理的增强型关键技术的研究。
中国通信企业和高校在多天线技术的研究和应用方面一直处于业界领先地位。1998年，大唐电信集团代表中国提出的TD-SCDMA 3G国际标准中首次将智能天线波束赋形技术引入蜂窝移动通信系统。2006年，大唐电信集团等中国企业在TD-LTE 4G标准中开创性地提出了多流波束赋形技术，拓展了智能天线的应用方式，实现了波束赋形与空间复用的深度融合，大幅度提升了TD-LTE系统性能和技术竞争者力，并实现了8天线多流波束赋形的全球成功商用。TD-LTE系统的多天线技术应用能力和产业化水平领先于FDD LTE［目前大部分商用FDD LTE系统仍采用2天线（部分采用4天线）］。基于3G和4G TDD系统中我国在多天线技术领域上的积累和创新，我国在5G大规模天线波束赋形技术的发展过程中保持着领先地位，并展现出了积极的引领作用。
在新一代5G移动通信系统的研发过程中，中国政府非常重视大规模天线波束赋形技术的研究和推进工作，设立了多项“863”和国家科技重大专项课题，有力地支持了相关技术研究工作，不断深化和提升大规模天线的研究和应用水平。2013年成立的IMT-2020推进组，专门设立了大规模天线技术专题研究组，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和系统方案设计工作。在此基础之上，工业和信息化部制定了我国的5G技术研发与试验工作总体计划，将大规模天线技术在IMT-2020系统中推向了实用化发展道路。
在上述研究和推进工作中，我国的通信企业、高等院校与科研院所积极参与了相关基础理论与关键技术的研究、标准化方案的制定与推动、原理验证平台的开发以及大规模外场实测，在全球大规模天线技术的发展过程中发挥了重要的影响力并做出了重要贡献。
本书体现了国内在大规模天线波束赋形技术领域中“产、学、研、用”紧密协作的研究成果，从以下几个方面论述了大规模天线技术的基础理论与关键技术，并介绍了其标准化、产业化的发展现状。
第1章从多天线技术的基本原理着手，分析了理想情况下的信道容量；在此基础上，结合不同的应用场景、信道条件和业务需求，简要介绍了对闭环空间复用、开环空间复用、波束赋形与发射分集等多种常用的多天线技术方案，并对各种技术方案的适用条件及特点进行了对比；随后，探讨了多天线技术理论的发展动态及天线阵列结构的演进趋势，并介绍了大规模天线波束赋形技术的研究方向及应用场景；最后，简要介绍了多天线技术的标准化进展情况。
第2章主要介绍了大规模天线波束赋形技术的基本理论，包括独立同分布瑞利衰落信道下大规模天线技术的基本理论，以及理想信道下的容量和存在导频污染时上行和下行链路的容量，并从理论上分析了天线数量大规模增加对系统性能的提升以及导频污染对系统性能的影响；深入研究和分析了在实际应用场景下非理想因素对大规模天线波束赋形系统性能的影响；推导出大规模天线的系统级容量与系统参数之间的显式关系，为高频谱效率和高能效的大规模多天线波束赋形系统设计提供了理论指导。
第3章主要分析和介绍了大规模天线波束赋形系统的应用场景与无线信道建模，重点探讨了垂直维度的引入对信道建模的影响，以及大尺度和小尺度建模方法。具体包括：局部坐标系与全局坐标系之间的转换方法，用于在全局坐标系内建模天线单元的增益和场分量；天线模型以及双极化天线在局部坐标系中的天线单元增益和场分量到全局坐标系的转换方法；三维（3D）距离的定义和应用条件，由于垂直维度的引入，部分信道建模参数需用3D距离进行计算；大尺度信道建模，包括LOS概率计算模型、路径损耗计算模型和穿透损耗计算模型；小尺度信道建模，包括垂直角度参数模型、多径分量统计相关矩阵、垂直角度生成方法等；最后，给出了信道建模的完整流程。
第4章主要介绍了大规模天线波束赋形系统中的若干关键技术，包括大规模天线信道估计方法，如传统的线性估计以及新型的基于特征值分解与压缩感知的信道估计方法、接收端的信号检测与发送端的信号预编码技术、信道状态信息（CSI）的获取及反馈的典型的方案、大规模天线的校准技术、小区间的协作技术，以及多小区传输方案。
第5章在前面章节讨论的大规模天线波束赋形理论和关键技术基础上，结合5G NR系统的标准化研究和制定工作，向读者介绍了3GPP标准化组织针对5G大规模天线波束赋形的标准设计方案，主要包括了大规模天线波束赋形的上下行传输方案、参考信号设计、信道状态信息反馈设计、波束管理、准共站址（QCL，Quasi Co-Location）等关键技术，以及大规模多天线传输技术对物理信道方案设计的影响。通过本章介绍，读者可以了解到大规模天线波束赋形在5G的应用方式及设计特点，加深对大规模天线波束赋形技术的认识和理解，并对大规模天线波束赋形技术的工程设计具有重要的参考意义。
第6章对大规模天线波束赋形系统的总体架构与阵列设计方案进行了分析，给出相应的实现方案建议和设计案例，并介绍大规模天线波束赋形技术的试验测试情况。本章旨在为读者提供一个视角，用以见证大规模天线波束赋形技术如何转化为实际工业产品的过程，以及产业界为之付出的努力与所取得的阶段性成果。
本书由来自中国信息通信科技集团（大唐电信集团）、东南大学及北京邮电大学的多位作者合作完成。全书由陈山枝主持编写和统稿，第1～6章分别由陈山枝、王东明、高秋彬、李立华、孙韶辉、陈山枝编写，中国信息通信科技集团的苏昕、陈润华、李辉、黄秋萍、蔡月民、段滔，东南大学的魏浩、辛元雪、曹娟，北京邮电大学的卢光延、杜留通、李兴旺等也参与了编写工作。
本书作者感谢中国信息通信科技集团、东南大学、北京邮电大学等单位及IMT-2020推进组和FuTURE论坛的领导与同事们的大力支持和真诚帮助，感谢在5G技术研究和标准化过程中中国信息通信研究院、中国移动研究院以及众多国内外厂商及研究机构与作者的交流与合作，感谢“863”“高效能5G无线关键技术研发”课题组的参与单位。限于作者的水平和能力，本书还有诸多不足之处，恳请各位读者和专家提出宝贵的意见和建议。
作者