无线通信作为我们生活的基础设施，其核心资源就是频带。为了防止不同通信方式之间的干扰，各国对无线频段的使用都进行了严格的划分。6G赫兹以下频段因其衰减小、穿透力强等特点，被视为优质频带资源，但同时也面临着拥挤的问题。
与此同时，用户对移动通信网的数据需求呈爆发式增长，尤其是视频直播、高清电话会议、虚拟现实游戏等实时传输大量数据的无线应用，对网络容量提出了更高的要求。此外，“关键型任务机器通信”对通信的可靠性和时延也提出了极为苛刻的要求。
在这种背景下，5G作为第五代无线通信系统，正在为解决这些问题提供答案。5G通过创新技术，如大规模天线阵列，实现了网络容量的提升和用户体验的优化。
大规模天线阵列是5G通信的关键技术之一。它基于多用户波束成形的原理，在基站端布置大量天线，对目标接收机调制各自的波束，通过空间信号隔离，在同一频率资源上同时传输多条信号。
具体来说，基站通过多根天线自动调节发射信号的相位，使电磁波在手机接收点形成叠加，从而提高接收信号强度。这一技术类似于虚拟天线方向图的构造，称为“波束成形”。
与传统通信方式相比，波束成形技术可以实现发射能量向用户所在位置的汇集，有效减少能量向其他方向的扩散。同时，基站可以通过监测用户信号，对用户进行实时跟踪，使最佳发射方向跟随用户的移动，保证任何时刻手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。
大规模天线阵列的应用，使得在同一频率资源上同时传输多条信号成为可能，从而大幅提升网络容量。美国莱斯大学的大规模天线阵列原型机就是这一技术的完美体现，其由64个小天线组成，展示了大规模天线系统的雏形。
除了提升网络容量，大规模天线阵列还可以有效减少不同波束之间的干扰，为用户提供更加稳定的通信体验。
总之，5G大规模天线阵列技术为解决通信网络发展中的诸多问题提供了新的思路。随着技术的不断成熟和应用，我们期待在不久的将来，享受更加高速、稳定的网络服务。
这是最好的时代，也是最坏的时代。
生活在科技大爆发的时代里，你是否感觉到一丝庆幸? 虚拟现实、自动驾驶，无数令人血脉偾张的新型应用正在井喷式地爆发，模糊了虚拟和现实的边界，并深刻地改变着我们触碰和认知世界的方式。
而这，对于通信人而言却是一场艰苦卓绝的战斗。
众说周知，无线通信依托于电磁波传播，最宝贵的资源莫过于频带。为防止移动通信网、无线电视、广播、军用频段等的相互干扰，每个国家都对无线频段的使用做出了严格的划分。根据电磁波在空气中传播的特性，6G赫兹以下频段因其在空气中衰减小、穿透力强等优点，被视为优质频带资源，很多依托无线电的应用都集中在这一频段资源上，因此无比拥挤。
另一方面，用户对移动通信网的数据需求正呈现爆发性的增长，特别是需要实时传输大量数据的无线应用，如视频直播、高清电话会议、虚拟现实游戏等，对网络容量是严峻的考验。而“关键型任务机器通信” (mission-critical machine type communication) 又对通信的可靠性和时延提出了极为苛刻的要求，此类应用包括工业自动化、车辆通信等。1000倍于4G LTE系统的网络容量和1毫秒极低时延已逐渐成为业界对下一代无线通信网要求的共识。
面对强烈需求，背靠紧缺资源，如何满足科技爆发时代最底层速率的需求，为社会架起一条高速信息管道? “5G”正在给出答案。5G (Fifth Generation)，即第五代无线通信系统，是在走过模拟通信、第二代、第三代和正在经历的第四代LTE系统之后，通信人正在攀登的另一座高峰。
一个体系的革新换代，其中必包含了无数的创新点，5G也是如此。笔者将与你分享其间的一项关键技术，大规模天线阵列。它的应用不单可以大幅度提升网络容量和用户体验，也将对通信行业产成深远的影响，1分钟下载一部高清电影的时代已经离我们不远了。
波束成形
理解大规模天线首先需要了解波束成形技术。传统通信方式是基站与手机间单天线到单天线的电磁波传播，而在波束成形技术中，基站端拥有多根天线，可以自动调节各个天线发射信号的相位，使其在手机接收点形成电磁波的叠加，从而达到提高接收信号强度的目的。
从基站方面看，这种利用数字信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线方向图的构造，因此称为”波束成形” (Beamforming)。通过这一技术，发射能量可以汇集到用户所在位置，而不向其他方向扩散，并且基站可以通过监测用户的信号，对其进行实时跟踪，使最佳发射方向跟随用户的移动，保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。
打个比方，传统通信就像灯泡，照亮整个房间，而波速成形就像手电筒，光亮可以智能地汇集到目标位置上。
普通全向天线，覆盖所有区域
波速成形后的天线，将能量集中到一个方向
在实际应用中，多天线的基站也可以同时瞄准多个用户，构造朝向多个目标客户的不同波束，并有效减少各个波束之间的干扰。这种多用户的波束成形在空间上有效地分离了不同用户间的电磁波，是大规模天线的基础所在。
大规模天线阵列
大规模天线阵列正是基于多用户波束成形的原理，在基站端布置几百根天线，对几十个目标接收机调制各自的波束，通过空间信号隔离，在同一频率资源上同时传输几十条信号。这种对空间资源的充分挖掘，可以有效利用宝贵而稀缺的频带资源，并且几十倍地提升网络容量。
大家可以从下图中美国莱斯大学的大规模天线阵列原型机中看到由64个小天线组成的天线阵列，这很好地展示了大规模天线系统的雏形。
美国莱斯大学 Argos 大规模天线阵列原型机
