前言

面对多种多样的新兴业务形态以及终端连接数和数据流量规模的爆炸式发展，未来移动通信系统对无线传输链路的容量和质量有着近乎无止境的需求。为了应对系统需求的巨大压力，对无线信道资源的拓展及其充分利用成为传输链路设计中最为核心的两个问题。而新一代移动通信系统的研究与标准化工作也始终在围绕“开源”和“节流”这两条主线进行推进。随着6 GHz以下频段资源的日益紧张，5G（IMT-2020）系统将要进一步将频段资源扩展至高达100 GHz的频带。同时，5G系统也将通过新型多址、编码调制、更为密集的组网以及大规模天线等技术手段，更为有效地提升对频带资源的利用效率。

鉴于MIMO技术在改善信道资源的利用效率以及提升传输质量方面的巨大优势，这一技术在第四代（4G）移动通信系统中得到了非常广泛的应用。例如，LTE系统的整个物理层构架都是建立在MIMO+OFDM的基础上。LTE系统中，根据多种应用场景，分别设立了几种传输模式。而每种传输模式又都采用了以一种主要的MIMO传输方案为基础、一种高可靠性MIMO传输方案为辅助的设计方式。其中，发射分集、闭环及开环空分复用、多用户MIMO、波束赋形技术等主要的MIMO技术方案，已经得到了标准化。

MIMO技术的性能增益都来自于多天线所引入的空间自由度，因此从多到更多，或者说MIMO的维度扩展，一直是MIMO技术演进的一个重要方向。具体来讲，其演进体现在：能够支持的并行传输数据流数量的增长；从单用户传输优化到多用户传输优化的转换；从单小区MIMO到网络化、协作化MIMO技术的扩展。

由于数据业务量与用户数激增，以及信道资源日益紧张，因此对MIMO维度的持续扩展，是无线通信系统发展的现实需求，也是标准化演进过程的一个重要方向。从理论角度出发，对MIMO维度的扩展，也有着坚实的理论依据。而这一基础正是近年来出现的大规模天线理论。根据这一理论，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，系统的发射功率可以任意低，而大量的用户可以在几乎没有干扰和噪声的理想条件下进行通信，从而极大地提升系统容量和频带利用效率。

这一技术理论的合理性在波束域可以得到更为直观的解释：随着天线数量的增加，通过波束赋形技术可以形成更为窄细、指向性更强、更为准确且增益更高的波束。在这种情况下，针对多个用户的发射波束之间的交叠（或者说用户间的干扰）将逐渐近乎消失，而加性噪声相对于巨大的波束增益也将变得可以忽略。

大规模天线理论为我们展示了MIMO技术在进一步提升系统容量、频带利用率与用户体验方面的巨大潜力。因此，这一理论出现之后，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中最有潜力的物理层技术之一。近几年来，经过学术界与产业界的共同努力，目前已经对大规模天线信道容量、能效与谱效优化、传输与检测算法等方面进行了较为充分的研究，同时也从信道建模和评估等基础性工作方面对后续的研究和推进进行了大量准备。而针对这一技术的技术验证与原型平台开发工作也在积极地进行中。在上述工作基础上，产业界对相关技术的标准化发展也给出了明确的推进计划，并已经在LTE系统中完成了初步版本的大规模天线技术标准化方案。而在面向下一代系统的标准化研究工作中，大规模天线技术的推动仍然是非常重要的工作方向，并正在热烈地开展针对这一技术的研究、评估和讨论。

我国政府对于大规模天线技术的研究和推进工作非常重视，陆续设立了多项国家“863”和国家科技重大专项课题以支持相关工作的展开。在IMT-2020推进组和FuTURE论坛中，也专门设立了大规模天线技术相关的议题，组织企业和科研院所进行大规模天线关键技术研究、系统方案设计和推进工作。在上述研究工作基础上，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，进一步将大规模天线技术等IMT-2020系统的重要支撑技术推向实用化发展道路。

综上所述，MIMO是提升无线通信系统的频带利用效率和传输可靠性的一种重要技术手段。这一技术已经在现有系统中得到了非常广泛的应用，而且MIMO技术仍然在沿着维度进一步扩展的方向持续演进。大规模天线理论的出现以及有源天线技术在移动通信领域的实用化发展为MIMO维度的进一步提升奠定了坚实的理论与实现基础，也为MIMO技术的大规模化与三维化创造了条件。随着系统频段资源的拓展，在高频段通信系统中，MIMO技术仍将继续发挥其不可替代的基础性作用，成为构建未来移动通信系统的一块重要基石。

本书由大唐电信科技产业集团（电信科学技术研究院）的苏昕，清华大学的曾捷、粟欣，中国电信技术创新中心的韩斌、朱剑驰、赵嵩、佘小明，上海贝尔股份有限公司的刘继民、张路、蔡振浩与爱立信的缪庆育共同编写。

感谢各位作者所在的大唐电信科技产业集团（电信科学技术研究院）、清华大学、中国电信技术创新中心、上海贝尔股份有限公司、爱立信以及FuTURE论坛的领导和同事们的大力支持与帮助。

限于作者的水平和能力，书中存在诸多不足和谬误，还望各位专家和读者提出宝贵的意见和建议。

作者

2017年5月