在电台进行发射和接收时都希望导线中的交变电流能够有效的转换成为空间中的电磁波，或空间中的电磁波能够最有效的转换成导线中的交变电流。这就对用于发射和接收的导线有获取最佳转换效率的要求，满足这样要求的用与发射和接收无线电磁波信号的导线称为天线。

理论和实践证明，当天线的长度为无线电信号波长的1／4时，天线的发射和接收转换效率最高。因此，天线的长度将根据所发射和接收信号的频率即波长来决定。只要知道对应发射和接收的中心频率就可以用下面的公式算出对应的无线电信号的波长，再将算出的波长除以4就是对应的最佳天线长度。

天线的变短，这就意味着终端制造商可以在小小的机身内在多做几根天线，从而加强信号，这就是现在终端厂商都喜欢提的MIMO。

有关MIMO，IT之家笔者在之前的《频段和信号那些事：浅谈LTE的MIMO多天线技术》做过详细介绍，有兴趣的可以看一下。在此，我们来说一下5G的MIMO技术。

Massive MIMO

MIMO（Multiple－Input Multiple－Output）是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，它与传统的信号处理方式的不同之处在于其同时从时间和空间两个方面研究信号的处理问题，从而能够在不增加带宽与发射功率的前提下，提高系统的数据速率、减少误比特率、改善无线信号的传送质量。

Massive MIMO我们可以将其理解为MIMO的进化版，LTE时代的MIMO多为2通道、4通道及8通道，而Massive MIMO的通道数则可达到64／128／256，几乎是指数增长了。

LTE时代的MIMO模式，在做信号覆盖时实际上只做到了水平覆盖，而Massive MIMO在其信号水平维度空间基础上引入垂直维度的空域进行利用，信号的辐射状是个电磁波束。所以Massive MIMO也称为3D－MIMO。

现有资料显示，Massive MIMO的优势具体有以下几点：

高复用增益和分集增益：大规模MIMO系统的空间分辨率与现有MIMO系统相比显著提高，它能深度挖掘空间维度资源，使得基站覆盖范围内的多个用户在同一时频资源上利用大规模MIMO提供的空间自由度与基站同时进行通信，提升频谱资源在多个用户之间的复用能力，从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率。

高能量效率：大规模MIMO系统可形成更窄的波束，集中辐射于更小的空间区域内，从而使基站与UE之间的射频传输链路上的能量效率更高，减少基站发射功率损耗，是构建未来高能效绿色宽带无线通信系统的重要技术。

高空间分辨率：大规模MIMO系统具有更好的鲁棒性能。由于天线数目远大于UE数目，系统具有很高的空间自由度，系统具有很强的抗干扰能力。当基站天线数目趋于无穷时，加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计。

尽管Massive MIMO的优势很明显，但现阶段该技术还存在一些问题亟待解决，比如：如何安排天线？如何建模3D频道？如何将其应用于FDD操作？如何从大阵列生成宽光束？如何校准天线系统？如何处理调度和预编码的复杂性等。

事实上，Massive MIMO对于5G的意义，也可以看成是对频率资源的妥协。

我们知道如果运营商使用低频频段或者中频频段，那就可以实现天线的全向收发，至少也可以在一个很宽的扇面上收发。中低频段也就是现在LTE所使用的频段，但是根据工信部给三大运营商分配的5G试验频段来看，很明显，中低频的的资源是不够用的，高频的劣势在于路径损耗大，再加上国家对发射功率是有规定的，这样一来，就只能在天线上下功夫了。因为毫米波的出现，天线的尺寸进一步缩小，既然不能增加功率，那就增加天线数量吧，这就是多天线阵列。

根据3GPPR1－136362的说法，在高频场景下，5G信号穿过建筑物的穿透损耗也会大大增加。这些因素都会增加信号覆盖的难度。特别是对于室内覆盖来说，用室外宏站覆盖室内用户变得越来越不可行。

但是使用Massive MIMO（即多天线阵列），可生成高增益、可调节的赋形波束，从而明显改善信号覆盖，由于其波束非常窄，也可以大大减少对周边的干扰。

不过多天线阵列也是把双刃剑。多天线阵列的大部分发射能量聚集在一个非常窄的区域。这意味着，使用的天线越多，波束宽度越窄。

多天线阵列的优点是，不同的波束之间，不同的用户之间的干扰比较少，因为不同的波束都有各自的聚焦区域，这些区域都非常小，彼此之间不大有交集。

多天线阵列的缺点则在于系统必须用非常复杂的算法来找到用户的准确位置，否则就不能精准地将波束对准这个用户。因此，波束管理和波束控制（波束赋形）对Massive MIMO的重要性就不言而喻了。

总结：

实际上5G是很复杂的，单一频率变化引起的“蝴蝶效应”已经多到“罄竹难书”，比如多天线是如何保证信号不被干扰、波束赋形的作用等，如果有兴趣的话我们可以下篇文章中一起探讨一下。

5G作为新技术，其前景无疑的光明的，正如“蝴蝶效应”说的那样，5G的出现，带动了整个系统的长期的巨大的连锁反应，比如车联网、人工智能、智慧城市等待。

既然如此，那就让5G的蝴蝶翅膀可劲扑棱吧，这个效果，我们能承受得住。