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不管是3GPP UMTS这种手机移动通信网，还是WiFi这类无线局域网，所有无线通信系统都在不停追求更高的传输速度。除了大家熟知的两种老办法——用更高阶调制、加宽信号带宽之外，还有一种提升速率的方案，就是多天线技术，也就是MIMO（多输入多输出）。MIMO这个叫法是针对无线信道来定义的：发射端相当于信道的输入端，接收端就是信道的输出端。
一、MIMO基础
无线信道环境忽好忽坏，为了让通信信号更稳定可靠，行业里有好几种分集技术：
时间分集（错开传输时隙、搭配信道编码）、频率分集（换不同信道、扩频、OFDM正交频分复用），还有空间分集。想要实现空间分集，发射端或者接收端就得装多根天线，这种多天线架构就叫MIMO多输入多输出。多天线不光能提升通信稳定性，还能靠空间复用技术直接拉高传输网速。实际使用时，会根据当下无线信道好坏，单独用其中一种功能，或者两种搭配一起用。
1、传统单天线通信系统（SISO）
老式无线设备都只有一根发射天线、一根接收天线，放到MIMO术语里，这套系统就叫SISO单输入单输出，见图1。
图1：SISO单天线收发架构
根据香农理论，无线信道的传输容量C由带宽B和信噪比S/N决定。针对SISO单天线系统，计算公式如下：
2、多天线系统
一套标准MIMO系统包含m根发射天线、n根接收天线（见图2）。所有天线共用同一无线信道，每根接收天线不光能收到发给自己的直射信号，还能收到其他天线发来的串扰信号。这里默认信道是窄带、不随时间变化的。天线1发到天线1的直通信道记作h₁₁；天线1发到天线2的交叉耦合信道记作h₂₁。把所有信道系数整合起来，就能得到一个n行m列的信道传输矩阵H。
图2：通用MIMO天线架构
由接收向量y、发射向量x以及噪声n，可以推导出下面的信号传输公式：
待传输的数据会被拆分成多路互不干扰的独立数据流。数据流数量M一定不会超过天线总数；如果收发天线数量不一样（发射m根、接收n根），数据流上限由收发天线里数量更少的那一端决定。
举个例子：4发4收的系统最多能传4路数据流，也可以少于4路；3发2收的系统最多只能跑2路数据流。
理论上，信道容量C会随着数据流数量M呈线性增长。
如果只是给单个终端设备提升传输速率，这种模式就叫单用户MIMO（SU-MIMO）。
图3：单用户MIMO架构
把多路独立数据流分别分配给不同终端用户，这种方案就是多用户MIMO。该模式在上行传输场景优势很明显：终端只需要配备单根发射天线，就能大幅降低设备的硬件处理压力，这种方式也被称作协作式MIMO。
图4：多用户MIMO架构
2.1、空间分集
空间分集的核心作用是提升通信稳定性，不会提高传输速率，原理是让相同数据通过多条不同空间路径冗余传输。
2.1.1、接收分集
接收分集就是接收端天线数量多于发射端。最基础的配置是1发2收，也就是SIMO（单输入多输出）。
图5：SIMO单输入多输出天线布局
这套方案不用复杂的专用编码算法，实现难度很低，接收端只需要两路射频通路即可。
图6：接收分集原理示意图
两条信号走不同空间路径，到达接收端时衰落程度不一样。接收机通过对应算法就能提升整体信噪比，切换分集只选用信号更强的那一路；最大比合并则把两路信号加权叠加合并（见图6）。
2.1.2、发射分集
发射天线数量多于接收天线，就叫发射分集。最简结构是2发1收，也就是MISO（多输入单输出）。
图7：MISO多输入单输出天线布局
这种方案会把相同数据通过两根天线冗余发送。好处在于多天线和冗余编码的压力全部转移到基站侧，不用终端设备承担，实现成本与难度更低。
想要生成冗余传输信号，需要采用空时编码，Al阿拉莫蒂提出了首款适用于双天线的空时编码方案。空时编码能进一步提升通信性能，让空间分集技术落地可用。相同信号副本不只是换天线发射，还会错开时间发送，这种分时传输方式就叫时延分集。
如图8所示，空时编码把空间维度、时间维度两路信号副本结合在一起。信号s1、s2先分到两条数据流，再做信号复制处理，生成阿拉莫蒂空时分组码。
图8：阿拉莫蒂编码原理
业界后续还针对多天线场景推出了各类类阿拉莫蒂编码方案。编码操作也能放到频域完成，这种方式称作空频编码。
2.2、空间复用
空间复用的目标和分集刚好相反，它不是用来提升通信稳定性，而是直接拉高传输速率。实现方式就是把数据拆成好几路独立数据流，分别用不同天线同时发送。
MIMO所有天线共用同一无线信道，天线之间存在非零的交叉耦合信道，各路信号传输时会互相干扰。
图9：2发2收MIMO天线架构
只要接收端获取到信道矩阵H，就能算出各路天线之间的交叉干扰分量。
开环模式：发射信号里会插入一段接收端已知的专用参考信号，接收机依靠它完成信道估计。闭环模式：接收端通过专属反馈信道，把实时信道状态发给发射端，基站就能根据信道变化动态调整发射策略。
2.3、波束赋形
天线技术是提升网络容量的核心手段，最早普及的是扇区天线。这类天线覆盖60°或120°范围，单独构成一个小区。在GSM网络里，采用120°扇区天线最多能把小区容量提升三倍。
自适应天线阵列依靠窄波束进一步强化空间复用能力。智能天线属于自适应阵列的一种，区别在于它能智能完成来波方向（DoA）估算，可单独为每个用户生成专属定向波束；搭配反馈机制还能降低整套阵列系统的硬件运算压力。
波束赋形是一套用来调整天线阵列辐射方向图的技术，不管普通天线阵列还是MIMO系统都能使用。
智能天线主要分为两类：
- 相控阵系统（切换波束赋形）：仅有有限套提前预设好的固定波束方向图；
- 自适应阵列系统（AAS，自适应波束赋形）：波束形态无固定数量，可根据实时信道环境动态调整。
切换波束赋形会通过运算算出信号入射方向，再切换到对应的固定波束。用户只有处在波束中心区域时，信号强度才是最佳。自适应波束赋形能解决这个短板，可以跟着移动终端实时调整波束指向，但这套系统的复杂度和硬件成本都比切换波束方案更高。
二、什么是Massive MIMO
前面我们介绍了MIMO相关知识，从这节开始我们介绍Massive MIMO相关知识。
Massive MIMO（大规模 MIMO），就是在基站端堆超多天线阵子。靠这么多天线，可以动态结合两大核心能力：波束赋形和空间复用。原理很简单：大量天线能把信号能量精准集中在一小块空间区域里，不浪费信号、也不容易互相干扰。能做到这一点的天线系统，就是大规模MIMO。大规模MIMO主要装在5G基站上。我们的5G手机终端，只会搭载最简单的基础波束赋形功能，不会用大规模天线。
图11：MIMO和Massive MIMO的对比
三、为什么使用Massive MIMO
Massive MIMO搭配波束赋形技术具备诸多优势，其中最核心的一点是能效提升：通过汇聚发射信号能量来提高天线增益。该方式既能扩大信号覆盖距离，又能降低小区间干扰。
高频段（如毫米波）存在路径损耗更大的难题，但天线尺寸会更小，算是一大利好。高频场景下，海量天线单元可形成高增益窄波束；低频场景中，众多天线单元则能够同时传输多路独立空间数据流。
终端与基站设备采用波束赋形方案后，不能只做传统有线传导测试，还必须开展空中辐射测试，以此验证波束指向是否精准。高频环境下有线传导测试难度与成本都会大幅上升，主要原因是射频线缆会产生极大损耗。
图12：Massive MIMO的优势
四、大规模MIMO面临的核心挑战
虽然大规模MIMO优势突出，但仍存在诸多需要攻克的难题。
1、集中式无线接入网架构下，大规模MIMO天线收发的数据量巨大，极易造成数据传输瓶颈，因此需要配套充足的光纤传输带宽。
2、天线单元数量繁多，若波束赋形天线未完成精准校准，会在非目标方向产生杂散辐射，典型现象为波束偏移，本质是波束主瓣指向发生抖动。
3、天线单元间存在互耦效应，会造成信号能量损耗，缩短最大通信覆盖距离。
4、从理论落地到实际工程，部分天线阵列需采用非规则几何外形设计，容易导致信号能量向无用方向辐射损耗。
5、无论是设计、生产校准还是现场部署，大规模MIMO天线系统的复杂程度都提升到全新层级，随之也需要配套全新的设计方案与测试手段。
图13：Massive MIMO面临的核心挑战
五、大规模MIMO系统包含哪几类波束赋形？
想要实现指定的定向辐射效果、完成波束赋形，需要依靠天线阵列，对每一路天线单元的射频信号分别进行幅度与相位加权。目前有三种实现幅度、相位偏移的主流方案。
1、模拟波束赋形
这是一种传统方案，雷达领域多有应用。该方案将天线阵列搭配移相器与功率放大器，把波束对准目标方向，最大限度压低旁瓣。所需硬件数量少，搭建具备一定复杂度的波束赋形阵列成本较低。模拟波束赋形阵列通常仅连接一条射频链路，同一时刻只能形成单条波束；同时移相器的工作区间会限制系统可用频段。
图14：模拟波束赋形架构
2、数字波束赋形
属于更先进的架构，在数字域完成幅度与相位加权。每根天线独立配备收发通道与数模转换器件，单一阵列可同时承载多路数据流、生成多道波束。除波束定向外，还能生成零陷波束抑制干扰。但数字波束赋形依赖模数转换器，在高频场景实现难度较大。
图15：数字波束赋形架构
3、混合波束赋形
折中兼顾模拟、数字波束赋形的优劣，主要面向高频段设计。该方案把大量天线单元划分为子阵列模块，子阵列后端接入数字预处理单元。系统设计者采用混合波束赋形，在灵活性与成本之间取得平衡，同时满足并发波束数量、工作频段等各项性能指标要求。
图16：混合波束赋形架构
六、测试环境中如何连接天线阵列？
天线阵列具备定向辐射特性，因此必须搭建空口测试平台，这就引出一个问题：如何向被测天线输入测试信号。
无源天线沿用传统测试方案：由收发设备产生射频信号，送入天线阵列，天线将线缆传输的射频信号转换为空中辐射信号。通过向被测天线输入射频信号、采集射频输出信号的方式，无源天线测试流程简单，测量结果具备良好可比性。
当下行业出现新趋势，为提升使用灵活性，将部分物理层处理功能集成至天线内部，大部分射频信号生成工作直接在天线中完成，这类天线称为有源天线、智能天线或射频集成天线。该类天线阵列采用CPRI这类数字接口作为信号输入，而此类接口往往由设备厂商自定义，外部难以直接接入。
一大核心难点：若被测天线的输入信号未知，将无法获取相位信息。缺少输入相位数据时，在近场开展EVM误差向量幅度测试会十分困难。
一种可行变通方案：仅使用少量天线单元形成波束，从物理层面缩小阵列口径，等效模拟远场测试环境。
可以采用辅助发射天线测试方案，该天线与被测天线间距固定，且自身输入相位已知，借此能够推算出测量天线处接收信号的相位。
图17：直接近场测量架构
七、测试环境属于近场还是远场？
被测天线与测量天线之间的间距，是空口测试（OTA）的关键参数。极近场，也叫感应场，出现在距离小于第一菲涅尔区的区域，通常仅几厘米。该区域存在电磁耦合，测量天线会等同于辐射单元的一部分，无法用于空口测试。
辐射近场的测量结果同时受信号幅度与相位影响，需要在特定轨迹或曲面上多点采样，再通过后处理算法完成近场转远场换算，才能得到远场数据。Fraunhofer距离是划分近场与远场的临界距离，计算公式为 2D²/λ，其中 D为天线阵列口径尺寸，λ为工作波长。业内主要有以下三种近/远场判定方法：
第一种基于电波传播特性，采用试错法，通过改变测试距离观察接收功率变化判断场区；
第二种依托半功率波束宽度，将阵列口径D等效为实际有效辐射尺寸D^*（该值通常更小）来计算；
第三种适用于大规模MIMO空口EVM等测试，仅关注主波束，可大幅缩短被测天线与测量天线的测试间距。
图18：近场和远场的测量要点
八、如何在短距离下模拟出远场测试条件？
理论上要求大规模MIMO必须在远场环境下开展空口测试，尤其是EVM测试，原因是近场区域信号相位波动剧烈。
按照Fraunhofer公式，最简单实现远场条件的方式就是拉大被测天线与测量天线之间的距离。但如今天线阵列口径越来越大，所需测试距离会达到数十米，场地条件很难满足。为此业界推出多种近场转远场的处理方案，共有三种技术手段，可在较短测试距离内等效生成远场环境。
菲涅尔透镜的应用思路在光学领域十分成熟，该原理依靠特殊造型的透镜产生平面波前。但在射频领域，这套方案实现复杂度高、成本昂贵，不适合工业批量测试使用。
紧缩场（CATR）是行业内成熟的测试方案，其核心依靠反射面完成硬件层面的傅里叶变换，形成柱状静区；在静区内，电磁波与理想平面波的相位差可控制在用户设定的误差范围内。紧缩场系统的反射面尺寸一般为所需静区宽度的三倍左右，反射面表面粗糙度需控制在λ/100量级，同时配有锯齿、卷边等多种边缘吸波结构。
基于天线阵列设计思路，目前最新的测试方法是全新平面波转换器（PWC）测试法。该平面波转换器不依靠反射面实现定向，而是采用大型天线阵列搭配移相器，在距离被测天线约1.5米处，生成直径约1米的等效平面波。
图19：三种测试方法示意图
九、大规模MIMO测试需要哪些测试仪器？
大规模MIMO测试覆盖各类应用场景，需要综合考量近场、远场、工作频段、天线类型、待测指标等技术要素。研发、产线、外场三种场景的测试配置与测试项目差异极大。波束赋形认证验证、量产测试等新兴应用场景，还会对测试精度、测试速度、设备成本提出全新要求。
一套完整的大规模MIMO测试系统主要包含四大核心组成部分：
1、屏蔽暗室
提供多种尺寸规格，适配近场、远场测试需求，具备电磁屏蔽、电波吸波能力，同时预留设备进出通道等配套结构。
2、测量天线
选型核心考量指标为工作频段、物理尺寸以及校准精度。
3、被测天线工装/转台
若要测试有效全向辐射功率、有效各向同性灵敏度、总辐射功率等指标，需完成球面方向图测试，且测量结果必须精准、可复现。因此在校准与测试全过程中，被测天线和测量天线都要稳固固定在标准坐标位置；部分方案依靠旋转机构采集完整球面方向图。转台定位精度是保障测量准确的关键，近场测试场景下尤为重要，这类测试数据还需换算为远场结果。
4、测试测量仪器
仪器选型取决于具体大规模MIMO测试需求。一套标准测试系统通常包含矢量网络分析仪、信号发生器、信号分析仪、无线通信综合测试仪、功率传感器等设备。
最后总结一下：
无线通信系统为提升传输速率，除采用高阶调制、拓展带宽两种常规手段外，还依托MIMO多天线技术优化通信性能。传统MIMO可利用空间分集增强通信稳定性，通过空间复用提升传输速率，并配合波束赋形优化信号传播。
5G核心的大规模MIMO技术，在基站部署大规模天线阵列，融合波束赋形与空间复用优势，有效提升传输能效、扩大覆盖范围、减少小区干扰，适配高低频通信场景。该技术仍面临光纤带宽不足、天线互耦损耗、波束校准困难、工程设计复杂等技术难题，主流波束赋形方式分为模拟、数字与混合三类。
由于波束具备定向特性，大规模MIMO需采用专属空口测试方案，可借助专业技术在短距离模拟远场测试环境，完整测试系统主要包含屏蔽暗室、测量天线、定位工装及各类专业测试设备。
