一、5G虽好，配套技术要跟上
经过几十年的发展，移动通信技术已经发展到了第五代，即5G。每一代移动通信的进步都会带来巨大的生活改变，5G时代将会更加明显。目前5G定义了三大应用场景：
增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband, eMBB）——超高清视频、AR/VR等应用场景将成为现实；
海量机器类通信（Massive Machine Type Communications, mMTC）——万物互联，可用于构建智能家居、智慧城市等；
超可靠低时延通信（Ultra-Reliable, Low-Latency Communications, uRLLC）——主要针对工业自动化，实现自动驾驶等场景。
图1. 5G三大应用场景示意图（图片来自网络）
三大应用场景描绘了一幅美好的未来生产、生活和娱乐愿景，然而，5G的发展也面临着不同的技术指标需求，典型的有超高传输速率、超大网络容量，以及超高可靠超低时延等。要实现这些技术指标，就需要科研人员分别开发时域（时间）、频域（频谱）以及空域（空间）等维度上的潜能。今天就来重点介绍一下利用频域和空域维度的技术。
二、跟不上需求的传统无线通信
无线通信通过将信息以电磁波的方式从发送端传递给接收端实现信息传输，电磁波以光速在空间中四周传播，有一定的波长和频率。电磁波在传播中会受环境影响，能量不断衰减，因此其传递的空间是有一定范围的平面。
试想一下，当两个发送端分别在同一空间范围内、同一时间，利用同一个频率的电磁波给接收端发送时，混乱就产生了，接收信号互相干扰，无法正确接收信息。为了防止这样的事情发生，就需要在时域、频域以及空域任一维度上对信号进行区分。
传统的1G-4G主要采用单根天线技术（4G采用了少量天线技术），那么在同一个天线辐射范围内，收发端进行信息通信时，只能采用与其它收发端不同时或不同频的方式，如图2所示。这种方式在传统无线设备较少以及无线业务比较单一的时代才足以支撑用户使用，但随着信息时代的不断深入，无线设备急剧增加，无线服务需求更加多样化，传统的技术再也无法满足时代需求。
图2. 4G电磁波覆盖方式（图片来自网络）
三、毫米波通信应运而生
传统1G~4G所利用的频谱资源为6GHz以下（即电磁波传输频率低于6GHz）的微波频段，一个重大的技术困难在于分配给移动通信使用的频谱资源日益紧缺，如此便无法按传统技术手段对不同收发端信号进行频域上的区分，同时因缺乏大量可用频谱资源，高速率信息传输也将无法实现。
因此，业界将目标瞄准更高频段进行无线信息传输，24GHz~300GHz范围存在大量未开发的频谱资源，可解决传统频谱资源紧缺问题并实现高速率的信息传输。随着电磁波频率的提高，其波长减小到毫米级别，从而无线通信从传统的微波通信进化到毫米波通信（Millimeter-wave Communication, mmWave）。
图3. 5G毫米波频段（图片来自网络）
四、毫米波+大规模MIMO
毫米波通信也有其困难，因毫米波波长较短，更易受环境阻挡，导致衰减很大。为了增加传输距离，装配大量天线形成大规模多输入多输出（Multiple-Input Multiple Output, MIMO）系统，利用不同天线发射信号形成的叠加电磁波，可实现较远距离的传输目的。此外叠加后的电磁波形成波束，具有方向性，可通过调节波束方向实现对接收端的远距离信息传递，称之为波束赋形。
通过在基站（Base Station）装配大量天线（成百上千根天线）形成平面阵列，能够同时支持与大量终端用户的高速率信息传输，天线数越多波束越窄，可用来服务的用户终端则越多，如图4所示。另一方面，毫米波的短波长使得在有限空间内集成大规模天线成为可能。大规模MIMO与毫米波相互促进，简直就是绝配。
图4. 5G大规模MIMO电磁波覆盖方式（上），5G大规模MIMO技术演进（下）（图片均来自网络）
五、大规模MIMO射频链路压缩
如上所述MIMO系统有多种多样的优点，以接收端为例，天线接收信号需经过射频链路（Radio Frequency chain, RF chain）经模数转换器（Analog to Digital Converter, ADC）采样供后续基带数字信号处理。传统MIMO技术需要每根天线连接一条射频链路（如图5左图所示），这种方案对4G采用少量天线是有效的，但若将5G大规模天线按此种方案实现，则会面临射频链路与ADC器件庞杂而引起的高功耗问题，当工作在毫米波频段时尤其显著，另外制造工作在毫米波频率的射频与采样器件也具有高成本问题。
为降低功耗、成本，需要压缩射频链路的数量，通过使用一个由模拟器件构成的硬件网络将大量天线与少量射频链路连接，只需要通过理论或算法得到能保持性能的硬件网络配置即可。
图5. 传统全数字MIMO技术（左），新型混合模数MIMO技术（右）（图片由中国科学院沈阳自动化研究所提供）
连接天线和射频链路的模拟硬件网络部分（如：Analog combing）通常要根据无线信道情况做相应的配置，无线信道为发射端与接收端之间的环境因素，如图6所示。这个无线信道非常善变，每次它一变就需要重新配置模拟硬件网络，导致模拟硬件网络压力很大。另外，无线环境有背景噪声，也会影响模拟硬件网络的配置，使得模拟硬件网络不知道在有噪声的时候该怎么办。
图6. 无线MIMO信道示意图（图片来自网络）
中科院沈阳自动化研究所工业通信与片上系统（iComSoC）团队联合以色列Weizmann Institute of Science的SAMPL实验室发现利用无线信道的统计信息可以降低对硬件网络的频繁配置，无线信道统计信息变化缓慢，不需要硬件网络实时配置参数。团队同时将无线信道背景噪声考虑在内，给出了能指导硬件网络配置的数学公式和算法，团队还进一步搭建了硬件原型系统，如图7所示。该工作对5G起到了一定推动作用，对5G部署有一定指导意义。
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