大規(guī)模天線并不只是簡單地擴(kuò)增天線數(shù)量，因為量變可以引起質(zhì)變。依據(jù)大數(shù)定理和中心極限定理，樣本數(shù)趨向于無窮，均值趨向于期望值，而獨立隨機(jī)變量的均值分布趨向于正態(tài)分布。隨機(jī)變量趨于穩(wěn)定，這正是“大”的美。

在單天線對單天線的傳輸系統(tǒng)中，由于環(huán)境的復(fù)雜性，電磁波在空氣中經(jīng)過多條路徑傳播后在接收點可能相位相反，互相削弱，此時信道很有可能陷于很強(qiáng)的衰落，影響用戶接收到的信號質(zhì)量。而當(dāng)基站天線數(shù)量增多時，相對于用戶的幾百根天線就擁有了幾百個信道，他們相互獨立，同時陷入衰落的概率便大大減小，這對于通信系統(tǒng)而言變得簡單而易于處理。

大規(guī)模天線的優(yōu)點是什么?

第一，當(dāng)然是大幅度提高網(wǎng)絡(luò)容量。

第二，因為有一堆天線同時發(fā)力，由波速成形形成的信號疊加增益將使得每根天線只需以小功率發(fā)射信號，從而避免使用昂貴的大動態(tài)范圍功率放大器，減少了硬件成本。

第三，大數(shù)定律造就的平坦衰落信道使得低延時通信成為可能。傳統(tǒng)通信系統(tǒng)為了對抗信道的深度衰落，需要使用信道編碼和交織器，將由深度衰落引起的連續(xù)突發(fā)錯誤分散到各個不同的時間段上（交織器的目的即將不同時間段的信號揉雜, 從而分散某一短時間內(nèi)的連續(xù)錯誤），而這種揉雜過程導(dǎo)致接收機(jī)需完整接受所有數(shù)據(jù)才能獲得信息，造成時延。在大規(guī)模天線下，得益于大數(shù)定理而產(chǎn)生的衰落消失，信道變得良好，對抗深度衰弱的過程可以大大簡化，因此時延也可以大幅降低。

值得一提的是，與大規(guī)模天線形成完美匹配的是5G的另一項關(guān)鍵技術(shù)——毫米波。毫米波擁有豐富的帶寬，可是衰減強(qiáng)烈，而大規(guī)模天線的波束成形正好補(bǔ)足了其短板。

正在解決的瓶頸問題

首先，想要發(fā)揮所有天線的潛力，基站端需要精確的信道信息，直觀理解即需事先知道不同目標(biāo)客戶的位置。如何將與用戶間的這一信道信息精準(zhǔn)地告訴每一根天線是一件很棘手的事情。

傳統(tǒng)通信系統(tǒng)通過手機(jī)監(jiān)測基站發(fā)送的導(dǎo)頻(導(dǎo)頻，即基站和手機(jī)端共同知曉的一段序列)，估計其信道并反饋給基站的做法在大規(guī)模天線中并不可行，因為基站天線數(shù)量眾多，手機(jī)在向基站反饋時所需消耗的上行鏈路資源過于龐大。目前，最可行的方案是基于時分雙工(TDD)的上行和下行鏈路的信道對稱性，即通過手機(jī)向基站發(fā)送導(dǎo)頻，在基站端監(jiān)測上行鏈路，基于信道對稱性，推斷基站到手機(jī)端的下行鏈路信息。

其次，為了獲得上行鏈路信息，手機(jī)終端需向基站發(fā)送導(dǎo)頻，可是導(dǎo)頻數(shù)量總是有限的，這樣不可避免地需要在不同小區(qū)復(fù)用，從而會導(dǎo)致導(dǎo)頻干擾。理論推導(dǎo)表明，導(dǎo)頻干擾是限制大規(guī)模天線一劍破天的最終屏障。另外，很多大規(guī)模天線波束成形的算法基于矩陣求逆運算，其復(fù)雜度隨天線數(shù)量和其同時服務(wù)的用戶數(shù)量上升而快速增加，導(dǎo)致硬件不能實時完成波束成形算法。快速矩陣求逆算法是攻克這一難題的一條途徑。