关键词：massive MIMO，OAM复用技术
按照目前业界普遍观点，4G能够以100Mbps以上的速度下载，5G理论下行速度为10Gbps（相当于下载速度1.25GB/s），6G理论下载速度可达每秒1TB。5G预计2020年开始正式商用，但6G的技术远远没有成型，靠什么技术能让速率比5G再快100倍呢？作为专业无线通信技术专家，新竹科技一直聚焦行业发展趋势，本文将浅析两种最具潜力的可大幅提高无线通信质量和带宽的技术：大规模MIMO（massive MIMO）和OAM复用（Orbital Angular Momentum，轨道角动量）。
在谈这两种技术前，有必要先了解一下更为基础的、已经被广泛应用的无线通信技术──MIMO。
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势。
MIMO技术大致可以分为两类：发射/接收分集和空间复用。传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的****分集增益为mn。
MIMO作为关键技术目前广泛应用于4G、wifi等无线通信领域，但5G仅仅用传统的MIMO是不够的，必须采用更负责的技术──massive MIMO。
为什么要采用massive MIMO技术呢？
假设基站与手机的距离为R，基站天线的发射功率为Ptx，那么，手机天线接收到的信号功率Prx是多少呢？
公式如下：
如何才能提高手机接收信号强度呢？根据上述公式，可用的手段包括：
① 加发射功率Ptx；②缩短手机与基站间的距离R；③增加波长（使用低频段）；④增大接收天线增益；⑤增大发射天线增益。
对于①②③，由于受客观条件限制，不能无限增大功率，缩短基站与手机的距离意味着建站增加费用，低频段资源是有限的，企图用改良天线增加增益这种方法来补偿因高频段和距离导致的信号衰减犹如杯水车薪，唯一的办法是增加天线数量。所以，大规模天线技术势在必行！
MIMO技术经历了从SU-MIMO（单用户MIMO）向MU-MIMO（多用户MIMO）的发展过程。
一、大规模MIMO（massive MIMO）技术简介
大规模MIMO（massive MIMO, large-scale MIMO），顾名思义就是将传统MIMO的天线数增加，现有业界的仿真大多采用100-256根天线。MIMO可以分为SU-MIMO (Single-User MIMO) 和MU-MIMO (Multi-User MIMO), Massive MIMO是MU-MIMO的升级。
说到大规模MIMO最常想到的就是 T. L. Marzetta在2010年那篇文献中指出的：“by increasing the number of antennas at the base station, we can average out the effects of fading, thermal noise and intra-cell interference.”即通过增加基站端的天线，可以平均掉衰落、噪声、小区内干扰等，在分析方法上体现为大数定理、中心极限定理的应用，这样带来的一个好处是：大规模MIMO系统的信号处理方法不需要再采用复杂的非线性设计来避免上述提到的干扰，而只需要简单的线性设计即可实现较好的系统性能。比如在预编码方法研究方面（预编码/波束赋形在Martin JIANG的回答中有详细的介绍）：传统的MIMO系统中一般研究非线性预编码方案，比如DPC（dirty-paper coding，脏纸），而大规模MIMO中一般采用线性预编码，比如MRT（****比发送）、ZF（迫零）、MMSE（最小均方误差）。DPC这类算法的复杂度较高，随着基站天线数量的增加，若采用非线性预编码会导致基站的计算复杂度激增，显然DPC这类方法不再适用于大规模MIMO。此外，Lund University做了一些实际的测量（见文献“Linear pre-coding performance in measured very-large MIMO channels”），实验结果表明，在大规模MIMO系统中，采用低复杂度的线性预编码即可实现DPC预编码的98%的性能。
大规模天线技术有哪些好处?
1)、当然是大幅度提高网络容量。
2)、因为有一堆天线同时发力，由波速成形形成的信号叠加增益将使得每根天线只需以小功率发射信号，从而避免使用昂贵的大动态范围功率放大器，减少了硬件成本。
3)、大数定律造就的平坦衰落信道使得低延时通信成为可能。
大规模天线技术与波束赋形技术（Beamforming）：
理解大规模天线首先需要了解波束赋形技术。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，而在波束赋形技术中，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“波束赋形” (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****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，并有效减小各个波束之间的干扰。这种多用户的波束赋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。
大规模天线技术正在解决的瓶颈问题：
首先，想要发挥所有天线的潜力，基站端需要精确的信道信息，直观理解即需事先知道不同目标客户的位置。如何将与用户间的这一信道信息精准地告诉每一根天线是一件很棘手的事情。目前，最可行的方案是基于时分双工(TDD)的上行和下行链路的信道对称性，即通过手机向基站发送导频，在基站端监测上行链路，基于信道对称性，推断基站到手机端的下行链路信息。
其次，为了获得上行链路信息，手机终端需向基站发送导频，可是导频数量总是有限的，这样不可避免地需要在不同小区复用，从而会导致导频干扰。理论推导表明，导频干扰是限制大规模天线实用化的最终屏障。
另外，很多大规模天线波束赋形的算法基于矩阵求逆运算，其复杂度随天线数量和其同时服务的用户数量上升而快速增加，导致硬件不能实时完成波束赋形算法。快速矩阵求逆算法是攻克这一难题的一条途径。
二、OAM复用（Orbital Angular Momentum，轨道角动量）
近年来，为缓解频谱资源紧张与无线业务需求日益增长之间的矛盾，各种无线电技术应运而生。其中，轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)技术独辟蹊径，将传统平面波扭曲成涡旋电磁波，利用不同模态涡旋电磁波间的正交性增大无线通信容量，引起了学界的广泛关注。
OAM的存在虽早已被理论证明，但直至21世纪初才首先在光波段取得进展：1909年，Poynting从理论预测了电磁场角动量的力学效应；1992年，Allen发现OAM是螺旋相位光束的自然属性；2004年，Gibson等人提出利用光的不同模态可进行信息的独立调制和传输。随着OAM在光通信中的应用日趋成熟以及射频频谱资源日趋饱和，该技术开始被应用于射频段。2011年，同频带下不同OAM模的两路信号在442m外被成功接收，初步验证了OAM提升信道容量的可行性。虽然还存在方向性欠佳、远距离接收困难等局限，但OAM能极大提升频谱利用率的可观前景仍使相关研究方兴未艾，相应收发天线的设计也成为目前的重点。
1、OAM原理简介
长期以来，无线通信的信息调制主要基于电磁场的线性动量，在时域、频域上进行。然而，如经典电动力学理论所述，电磁场不但传播线性动量，也传播角动量J(Angular Momentum，AM)。轨道角动量是区部于电磁波电场强度的另一个重要物理量，它为电磁波提供了除频率、相位和空间之外的另一个维度，为人们带来了一个新的视角去认识和利用电磁波。
受螺旋相位因子的影响，具有OAM的电磁波被称为“涡旋电磁波”，沿着传播方向呈螺旋状。具有OAM的电磁波的相位旋转次数称为OAM模式。不同的OAM模式相互正交，在同一频点上可传输多路正交信号，从而提升频谱效率和信道容量。这就是OAM复用技术。
日本NTT宣称，这是全球首个利用OAM技术成功实现100Gbps无线传输。NTT设计了一个结合OAM复用和MIMO技术的OAM-MIMO复用技术。
演示系统的天线如下：
天线由四个同心均匀圆形阵列（UCA ＃1-4）和一个位于中心的单天线阵元（UCA＃0）组成。UCA ＃0-4生成-2、-1、0、1、2五种不同OAM模式正交复用，并通过MIMO技术对相同模式内的复用信号分离，最终实现可多达21路复用数据信号同时传输，大幅提升传输速率。
2、轨道角动量天线的常见形式
实现OAM技术，天线技术是至关重要的，常见的天线形式如下：
1）、螺旋相位板天线(Spiral Phase Plate，SPP)
2）、透射光栅天线
3）、阵列天线，进一步又分为等距圆阵（Uniform Circular Array，UCA）和反射阵。
4）、多点馈电的圆形谐振腔天线
5）、人工电磁表面天线
3、OAM技术展望
当前，射频OAM的应用基本限于高频（如光波、毫米波）短距离通信，如室内环境的高速无线传输等。业界正致力于实现1000 m内视距条件下OAM的可靠传输，高效可靠的天线是其中的关键。OAM走向实用，在天线方面还有如下问题：方向图特性和抗干扰能力欠佳。
新竹微评：massive MIMO技术已经在5G上得到应用，并且还在进一步发展。在如何提高频谱资源利用率这一长期课题上，OAM的应用标志着现代无线通信已向一个全新的方向迈出了第一步，其发展空间巨大。但这两种技术都非常复杂，对天线设计等提出了更高的挑战。为了克服这些挑战，世界顶尖的研究机构和各大设备商正加紧研发。相信这两种技术必将日臻完善，更好地应用于未来的无线系统中。