第2章 相關的基礎知識

2.1 通信基本原理

2.1.1 香農定理

美國數學家、電子工程師、密碼學家克勞德·埃爾伍德·香農（Claude Elwood Shannon）提出了信息熵和三大定理。

1. 熵

德國物理學家、熱力學主要奠基人魯道夫·尤利烏斯·埃馬努埃爾·克勞修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius）于1865年首次提出了熵的概念。熵的本質是一個系統的“內在的混亂程度”。之后，奧地利物理學家、哲學家、熱力學和統計物理學的奠基人路德維希·愛德華·玻耳茲曼（Ludwig Eduard Boltzmann）給出了熵的統計物理學解釋。

2. 香農第一定理

香農第一定理又稱為可變長無失真信源編碼定理。記離散無記憶信源S的信源熵為H（S），它的N次擴展信源的熵為H（SN），并用碼符號X={x₁，x₂，…，x_r}對信源SN進行編碼，總可以找到一種唯一可譯碼，使信源S中每個信源符號所需要的平均碼長滿足式（2-1）：

其中，為任意小正數。是編碼后的每個信源符號所攜帶的平均信息量。通過對N次擴展信源進行變長編碼，即當N→∞時，編碼信息量和信息熵極限值H_r（S）的關系見式（2-2），即此時平均碼長可以達到H_r（S）這個極限值。

香農第一定理表明，壓縮數據使編碼率（每個符號的比特的平均數）任意接近香農熵但不可能比信源的香農熵還小；信源符號轉化為新的、盡可能服從等概率分布的碼符號后，可以實現用盡可能少的碼符號攜帶盡可能大的信息量。

3. 香農第二定理

香農第二定理又稱為有噪信道編碼定理。設某信道有r個輸入符號、s個輸出符號，當信道的信息傳輸率R<C（C是信道支持的最高傳輸速率，又叫信道容量），碼長n足夠長時，可以在輸入的集合（含有rn個長度為n的碼符號序列）中找到M個碼字，來獲得信道輸出端任意小的最小平均錯誤譯碼概率P_min。注意，a為任意小的正數，C滿足式（2-3）。

C=B×log₂（1+S/N）　（2-3）

其中，B是信道的帶寬，S是信號平均功率，N是噪聲平均功率。

下面詳細解釋幾個名詞。

（1）信道容量

信道容量指信道支持傳輸的最高平均信息速率。信道分為連續信道和離散信道兩類。離散信道的容量有兩種不同的度量單位。一種是每個符號內能夠傳輸的平均信息量最大值；另一種是單位時間內能夠傳輸的平均信息量最大值。連續信道的容量也有兩種不同的度量單位。這里只介紹按照單位時間計算的容量。對于帶寬有限、平均功率有限的高斯白噪聲連續信道，信道容量可以用式（2-3）表示。

（2）吞吐量

吞吐量是指某系統在單位時間內正確傳輸的信息量。

（3）帶寬

帶寬指單位時間內能夠傳輸的比特數。數字設備中，帶寬常用每秒最多可以傳輸的比特數表示（單位為bit/s）。模擬設備中，帶寬常用每秒傳輸的信號周期數表示（單位為Hz）。帶寬常用的計算方法為：帶寬=時鐘頻率×總線位數/8。

（4）信噪比

信噪比是系統中信號與噪聲的比值。信號是指來自設備外部需要通過設備進行處理的電子信號。噪聲是指經過設備后產生的原信號中并不存在的、無規則的額外信號，噪聲與環境、具體測量帶寬和接收機噪聲系數等有關，不隨原信號的變化而變化。信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）用式（2-4）來表示，單位為分貝（dB）。

SNR=10×lg（S/N）　（2-4）

信噪比是衡量通信系統通信可靠性的一個主要技術指標，信噪比越大，在接收到的有用信號的強度一定的情況下，說明信號中攜帶的噪聲信號越少，對信號傳輸的影響越小。

例2-1：若通過一個信噪比為20 dB、帶寬為3 kHz的信道傳輸數字數據，根據香農公式［見式（2-3）］可得信道容量C=3000×6.66=19.98（kbit/s），要實現無差錯傳輸，則該信道的傳輸速率不應超過19.98 kbit/s。

（5）信號與干擾加噪聲比

信號與干擾加噪聲比（Signal to Interference Plus Noise Ratio，SINR）指接收到的有用信號的強度與接收到的干擾信號（噪聲與干擾之和）的強度的比值。SINR通常用式（2-5）來表示。

SINR=Signal/（Interference+Noise）　（2-5）

其中，Signal代表接收到的有用信號的功率；Interference代表測量到的干擾信號的功率，例如來自本系統其他小區的干擾的功率；Noise代表噪聲功率，噪聲主要由接收機的熱性能產生。

例2-2：回顧5G時代，將香農第二定理與5G關鍵技術融合，C_sum可用式（2-6）表示。

其中，cells指小區數量，channels指信道數量。香農第二定理中用的是SNR而不是SINR，因為香農公式是基于系統中只有加性高斯噪聲的假設，這是一種理想的狀態，實際信道中還存在干擾，想要增加5G通信容量，可以根據式（2-6）中各因子采用對應的技術，說明如下。

第一，增強覆蓋（增加小區）。可以采用覆蓋增強技術，例如超密異構組網的設備對設備（Device-to-Device，D2D）通信/機器對機器（Machine-to-Machine，M2M）通信。

第二，增加信道。可以采用頻譜效率提升技術，例如大規模天線、OFDM、空間調制等。頻譜效率，是指系統傳輸的有效傳輸速率與信道帶寬的比值。

第三，增加帶寬（提高B）。可以采用頻譜拓展技術，例如毫米波通信、可見光通信。

第四，增加信號與干擾加噪聲比（提高SINR）。可以采用頻譜效率提升技術，例如干擾管理。

因此，想提升5G網絡速率，需要多址技術、用戶調度、資源分配、用戶/網絡協作等方面的共同努力。

4. 香農第三定理

香農第三定理又稱有損信源編碼定理。設R（D）為一離散無記憶信源的信息率失真函數，對于任意系統允許的平均失真度D≥0、任意足夠長的碼長n、任意小的a>0，存在一種信源編碼W，其碼字個數M滿足式（2-7），使編碼后碼的平均失真度D′不大于給定的允許失真度，即D'≤D_o。

M≥EXP{n[R（D）+a]}　（2-7）

其中，D_o為某一限定值，a為任意小的正數且0≤a≤1，編碼后碼的平均失真度函數D'（W）滿足式（2-8）。

D'（W）≤D+a　（2-8）

總結香農三大定理可知，香農第一定理解決通信中信源的壓縮問題，香農第二定理解決在特定信道中數據能夠實現最大傳輸速率的問題，香農第三定理解決在允許一定失真的情況下的信源編碼問題。

5. 信息熵

熵的本質是一個系統的“內在的混亂程度”，而信息熵的本質是去除信息中冗余后的平均信息量。信息熵其實是信息量的期望。

設信源符號有n種取值，為U₁，…，U_i，…，U_n，對應概率為P₁，…，P_i，…，P_n，各種符號彼此獨立。信源的平均不確定性是單個符號不確定性-log_aP_i的統計平均值，信息量的單位和對數的底a有關。若a=2，則信息量的單位為比特（bit）；若a=e，則信息量的單位為奈特（nat）；若a=10，則信息量的單位為哈特萊（Hartley）。通常廣泛使用以2為底、單位為比特，也可以取其他對數的底，采用其他對應的單位，它們之間可以換算。信息熵常用式（2-9）表示，式中，一般對數以2為底、單位為bit/符號。也可以取其他對數的底，采用其他相應的單位，它們之間可以換算。

例2-3：假設用戶A作為一個“信源”給家人傳達兩種關于可能性的信息，第一種是不加班，其概率為0.9；第二種是加班，其概率是0.1，不加班的信息量為0.152 bit、加班的信息量為3.32 bit，此時該信源的信息熵見式（2-10）。

H₁=0.152×0.9+3.32×0.1=0.4688（bit/符號）（2-10）

如果用戶B作為一個“信源”也傳達兩種關于可能性的信息，加班、不加班的概率均為0.5，則信息熵見式（2-11）。

H₂=-2×0.5×log₂ 0.5=1（bit/符號）　（2-11）

用戶B的信息熵大于用戶A的信息熵，說明用戶B的不確定性更高，他的家人完全不確定他到底要不要加班。

2.1.2 奈奎斯特定理

首先回顧一下波特率（Baud rate）、比特率（bit rate）、帶寬（bandwidth）、容量（capacity）的概念。

在信息傳輸通道中，碼元表示攜帶數據信息的信號單元，碼元傳輸速率表示每秒通過信道的碼元數，每秒傳送1個碼元稱為1波特（Baud）。波特率是衡量數據傳送速率的指標，它用單位時間內載波調制狀態改變的次數來表示。因此，波特率又叫信息傳送速率、符號速率、碼元傳輸速率、傳碼率，常用單位為Baud。

例2-4：一個數字脈沖就是一個碼元，用碼元傳輸速率表示單位時間內信號波形的變換次數，若信號碼元寬度為T（s），則碼元傳輸速率B為1/T（Baud）。

比特率表示單位時間內可以傳輸的比特數，因此比特率又叫數據傳輸速率，單位為bit/s，它與波特率的關系見式（2-12）。

比特率=波特率×每符號包含的比特數　（2-12）

帶寬是信道的最高的信號頻率和最低的信號頻率的差值，只有在這兩個頻率之間的信號才能通過這個信道，帶寬的單位是赫茲（Hz）。數據在信道中傳輸會有其速率（比特率），此時最高的比特率是該信道的容量，單位是bit/s。

（1）奈奎斯特采樣定理

哈里·奈奎斯特（Harry Nyquist）提出了奈奎斯特采樣定理，即采樣率f_s必須大于等于被測信號中最高頻率分量f_N的兩倍，見式（2-13）。

f_s≥2×f_N　（2-13）

（2）奈奎斯特第一準則

理想低通信道的帶寬為B（單位為Hz），最高傳輸速率C（波特率）見式（2-14）。

C=2×B　（2-14）

理想帶通信道的最高傳輸速率C見式（2-15）。

C=1×B　（2-15）

由式（2-14）和式（2-15）可知，每赫茲帶寬的理想低通/帶通信道的最高傳輸速率是每秒2碼元/每秒1碼元。

總之，奈奎斯特定理可以用式（2-16）表示，1/（1+a）為頻帶利用率，a為濾波器的滾降系數。

C=B×（1+a）　（2-16）

其中，a代表系統幅-頻特性曲線的緩慢變化程度，它影響著頻譜效率，a越小，頻譜效率就越高，但a過小時，升余弦滾降濾波器的設計和實現較困難，同時對定時信息的要求非常嚴格，如定位不準確，則會產生符號間干擾。在實際應用中，一般取0.15≤a≤0.5來化解頻帶利用率和波形要求之間的矛盾。

如果被傳輸的信號包含M個狀態值，帶寬為B（Hz）的信道的最高傳輸速率見式（2-17）。

C=2×B×log₂M　（2-17）

例2-5：一個無噪聲的、帶寬為3000 Hz的信道，若采用8電平傳輸，則該信道可允許的最高數據傳輸速率為18 kbit/s。

例2-6：WCDMA的碼片速率為3.84 Mbit/s，若采用16QAM方式，最高的數據傳輸速率為3.84 Mbit/s×4，即15.36 Mbit/s，若想得到更高的速率，則要采用高階的調制方式。

綜上所述，奈奎斯特定理告訴我們如下幾點。

第一，碼元傳輸速率有限定值，當傳輸速率超過上限，會出現嚴重的碼間干擾。

第二，信道的帶寬越寬，就可以用越高的速率進行有效的碼元傳輸。

第三，碼元傳輸速率有限定值，但信息傳輸速率暫無限制。每個碼元盡可能攜帶更多比特的信號來提高數據的傳輸速率。對于一定的信道帶寬，增加不同信號單元的數量可以提高數據傳輸速率，但因為接收端每接收一個碼元，必須從M個可能的信號中選出一個，所以這會增加接收端的負擔。

注意，我們通常說帶寬是指理論上最高可達到的數據傳輸速率，數據傳輸速率是指實際傳輸速率，實際傳輸速率與最高數據傳輸速率之間的關系滿足香農公式。對于非理想信道，則可根據上述香農定理，由式（2-3）計算得出最高數據傳輸速率。

2.1.3 載波、幀、時隙、符號、子載波間隔

載波是一種在頻率、幅度或相位方面被調制，以傳輸文本、音頻、圖像或其他信號的特定頻率的無線電波。

幀是按某一標準預先確定的由若干比特或字段組成的特定的信息結構。

時隙是時域上數據調度的最小單位。

以5G網絡為例，新空口的系統參數關系如圖2-1所示。時域內，無線幀包含多個子幀，子幀包含多個時隙。時隙是時域的基本調度單位，時隙包含多個符號，符號由循環前綴（Cyclic Prefix，CP）和數據組成，其中數據的長度是子載波間隔（SCS）的倒數。頻域內，SCS是新空口頻域的最小單位，部分帶寬（Band Width Part，BWP）的作用是網絡側配置給終端（UE）的一段連續的帶寬資源，可實現網絡和終端的靈活傳輸帶寬配置。資源塊（Resource Block，RB）是數據信道資源分配頻率基本調度單位，資源塊組（Resource Block Group，RBG）是物理資源塊的集合，SCS確定符號的長度和時隙的長度。空域上，碼字（Code Word）的作用是通過MIMO發送多路數據，實現空間復用。層（Layer）的作用是將碼字流映射到不同的發射天線上，天線端口（Antenna Port）是用于傳輸的邏輯端口。

2.1.4 復用、雙工、多址接入

下面分別介紹復用、雙工、多址接入。復用針對資源，雙工針對頻率，多址接入（Multiple Access，MA）針對用戶。

復用是指將若干個彼此獨立的信號，合成一個可以在同一個信道上同時傳輸的信號的方法。復用可以分為頻分復用（Frequency-Division Multiplexing，FDM）、時分復用（Time-Division Multiplexing，TDM）、碼分復用（Code-division Multiplexing，CDM）、波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）等。FDM是指不同用戶分別用不同頻段同時與基站通信，TDM是指不同用戶使用不同時隙進行通信，CDM是指不同用戶在不同的編碼方式下實現通信，WDM是指在發送端經復用器將兩種及以上不同波長的光載波信號匯合在一起，并耦合到光線路的同一根光纖中進行通信。

對于點對點之間的通信，按照信息傳送的方向與時間的關系，通信方式可以分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信。這里重點介紹全雙工通信。全雙工通信指通信雙方可以同時發送和接收數據。全雙工主要分兩種，如圖2-2和圖2-3所示，時分雙工的上下行頻率相同，可用于任何頻段，適用于上下行非對稱及對稱業務。頻分雙工的上下行頻率配對，需要成對頻段，適用于上下行對稱業務。

多址接入是處于不同地點的多個用戶接入一個公共傳輸媒介，以實現各用戶間通信，分為正交多址接入（Orthogonal Multiple Access，OMA）和非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）。OMA的方式分為頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）、空分多址（SDMA），進一步衍生出正交頻分多址（Orthogonal FDMA，OFDMA）等技術。圖2-4給出了正交多址接入方式的示意，闡述如下。

FDMA允許用戶使用不同頻段同時進行傳輸。

TDMA允許多個用戶在不同的時隙中使用相同的頻率。每個用戶使用自己的時隙進行傳輸，允許多用戶共享同樣的傳輸介質。

CDMA的特點是發送信號由不同的、相互正交的擴頻碼調制所得，接收端基于碼型正交性，利用相關檢測從混合信號中選出相應的信號。

SDMA通過標記不同方位、相同頻率的天線光束來進行頻率復用。

OFDMA將OFDM和FDMA技術相結合，將傳輸帶寬分成正交的子載波集，不同的子載波集對應不同的用戶。

NOMA在非正交多址系統中引入極化編碼，第7章將詳細闡述該技術。

2.1.5 調制、編碼

受限于傳輸介質及其格式，傳輸的信號需要經過處理才能準確無誤地傳送到接收端。

傳輸通道主要分為模擬信道和數字信道。上述信道一般分別用于傳輸模擬信號、數字信號，但也可能需要用數字信道傳輸模擬信號或用模擬信道傳輸數字信號，這時就需要先進行數據轉換以滿足信道傳輸要求，于是出現了調制與編碼。調制是指用調制信號改變載波的某些參量，使之隨信號的變化而變化。按照載波是連續波還是數字脈沖，調制方式分為連續波調制和脈沖調制。連續波調制用正弦波或余弦波作為載波，脈沖調制用數字脈沖作為載波。連續波調制分為模擬調制和數字調制。簡言之，調制是指用模擬信號承載數字或模擬數據，編碼是指用數字信號承載數字或模擬數據。圖2-5給出了調制與編碼的關系。

模擬調制按照正弦波受調參量分為調幅（Amplitude Modulation，AM）、調頻（FM）及調相（Phase Modulation，PM）。

模擬調制是對信號源的編碼信息進行處理，使其變為適合信道傳輸的形式的過程，即把基帶信號轉變為相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號，以便于遠距離傳輸。通常信號u（t）可由正弦信號（余弦信號和正弦信號在相位上相差π/2，通常也可視作正弦信號）來表示，見式（2-18）。

u（t）=Acos（ωt+φ₀）　（2-18）

其中，A表示幅度，ω表示角頻率（ω=2πf，其中f表示頻率，單位是Hz），φ₀ 表示相位，由此可知，幅度、角頻率、相位這3個參數會影響正弦波的波形。

使用數字信道傳送模擬信號時，模擬信號需要進行采樣、量化、編碼轉換為數字信號。

模擬信號編碼到數字信道傳送的方法主要有脈沖幅度調制（Pulse Amplitude Modulation，PAM）、脈沖編碼調制（PCM）、差分脈沖編碼調制（Diferential PCM，DPCM）和增量調制（Delta Modulation，DM）方式等。

使用模擬信道傳送數字信號時，是將二進制數據調制到模擬信號上來。當改變振幅、頻率和相位其中之一的特性時，波將有不同的變形，假設用二進制數1表示原來的波，那么波的變形為二進制數0。目前，數字信號調制到模擬信號的機制主要有頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（Phase-Shift Keying，PSK）和幅移鍵控（Amplitude-Shift Keying，ASK）等。

另外，正交調幅調制（QAM）將振幅和相位變化結合起來，將輸入數據先映射到一個復平面上，形成復數調制符號，再對符號的I、Q分量采用幅度調制（I、Q信號是同相正交信號，I代表in-phase，Q代表quadrature，與I的相位相差90°），分別對應調制在正交的兩個載波上。

圖2-6所示的MATLAB仿真圖給出了16QAM的符號圖和散點圖。星座圖是解調之后的符號圖，散點圖則是信號星座圖的可視化。QAM的調制效率較高，也是現在所有調制解調器中經常采用的技術。

使用數字信道傳送數字信號，需要先對數字信號進行編碼，將由二進制數0和1組成的數字信號轉換成一串可以傳輸的電壓脈沖。

使用數字信道傳送數字信號時的編碼方式主要有不歸零（Non-Return to Zero，NRZ）編碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼，詳細說明如下，其次還有歸零碼、反向不歸零碼，在此不贅述。

不歸零編碼使用二進制數字0、1分別表示兩種不同的電平。不歸零編碼的缺點是存在直流分量，傳輸時必須使用外同步。

曼徹斯特編碼使用二進制數字0、1表示電壓的變化，0、1分別表示電壓由低到高、由高到低的跳變（或者0、1分別表示電壓由高到低、由低到高的跳變）。接收端提取此跳變作為同步信號。曼徹斯特編碼的缺點是信號傳輸速率必須是數據傳輸速率的2倍，即需要雙倍的傳輸帶寬。

差分曼徹斯特編碼使用二進制數字0、1表示碼元在每個時鐘周期的起始處有無跳變。0、1分別代表有跳變、無跳變。差分曼徹斯特編碼的優點是收發雙方可以根據編碼自帶的時鐘信號來保持同步，成本低，缺點是實現技術復雜。

2.1.6 電磁波傳播

1. 基本電磁波傳播機制

在無線通信中，衛星通信通常依賴自由空間傳輸，采用視距（Line-Of-Sight，LOS）傳播。但是在地面無線通信中，由于發射機與接收機之間通常不存在直接的視距路徑，因此地面無線通信主要依靠的是反射和繞射。

反射發生在地面、建筑物等表面，當電磁波遇到比其波長更長的物體時就會發生反射。

當接收機與發射機間的無線路徑被邊緣阻擋時，會發生繞射。繞射通常指電磁波繞過各種建筑物、山川等地形以及樹木等所產生的偏移。

散射指由傳播介質的不均勻性導致光線向四周射去，樹葉等都會引起散射。

2. 兩徑傳播模型

無線通信的傳播環境復雜，為了使問題簡化，首先考慮兩徑傳播的情況，再研究多徑傳播問題。圖2-9所示為包含一條直射波、一條反射波的兩徑傳播模型。

圖2-9中，ht表示發射機的高度，hr表示接收機的高度，d表示發射機與接收機的水平距離，當d足夠大的時候，接收機的接收功率可以表示為式（2-22）。

其中，P_r與P_t分別表示接收機的接收功率與發射機的發射功率，G_r與G_t分別表示基站與移動臺的天線增益，式（2-22）的分貝形式表示見式（2-23）。

P_r=P_t+10lgG_t+10lgG_r+20lg（h_th_r）-40lgd　（2-23）

由式（2-23）可知，當d很大時，接收功率隨距離呈4次方衰減，此時，接收功率和路徑損耗與頻率（波長）無關。兩徑傳播模型的路徑損耗可以表示為式（2-24）。

L=40lgd-（10lgG_t+10lgG_r+20lgh_t+20lgh_r）　（2-24）

3. 無線信道

無線信道是電磁波在空間中傳播的通道。有兩種劃分電磁波的方式。第一種方式將電磁波劃分為低頻、中頻、高頻等，這種劃分方式在移動通信中較常用，如表2-1所示。第二種方式將電磁波劃分為S波段（2～4 GHz）、C波段（4～8 GHz）、Ku波段（12～18 GHz）等。

注：頻率范圍和波長范圍含右不含左。

如下列舉部分典型的電磁波。

地波傳播是MF頻段電磁波的主要傳播模式，常用于AM廣播和海岸無線電廣播。在MF頻段中，大氣噪聲、人為噪聲和接收機中的電子器件的熱噪聲是對信號傳輸的主要干擾。

信號多徑指發送信號經過多條傳播路徑，以不同的延遲到達接收機。經由不同傳播路徑到達的各信號分量會相互削弱而導致信號衰落，因此通常會引起數字通信系統中的符號間干擾。在HF頻段范圍內，電磁波經由天波傳播時經常發生信號多徑現象，HF頻段的加性噪聲是大氣噪聲和熱噪聲的組合。

30 MHz以上頻段的電磁波通過電離層傳播具有較小的損耗，因此在VHF頻段及以上頻段，電磁波傳播的主要模式是視距傳播，一般情況下，視距傳播所能覆蓋的區域受到地球曲度的限制。

在頻率為10 GHz以上的SHF頻段，大氣層環境對信號傳播影響大。例如，降雨衰減是電磁波在雨中傳播的時候由雨點吸收和散射而產生的衰減，常用降雨衰減系數（dB/km）來表示，降雨衰減系數常與降雨強度成正比。

在EHF頻段以上的頻率是電磁頻譜的亞毫米波、紅外、可見光和紫外線，它們可用來提供自由空間的視距光通信，第7章將闡述可見光通信，在此不贅述。

2.1.7 天線

天線是一種把傳輸線上傳播的導行波（全部或絕大部分電磁能量被約束在有限橫截面內沿確定方向傳輸的電磁波）變換成自由空間中傳播的電磁波（或者進行相反的變換）的變換器。天線在無線電設備中用來發射或接收電磁波。天線具有可逆性，即同一副天線兼顧發射信號和接收信號的功能。天線具有互易性，即在發射或接收狀態下，測量該天線參數的結果是相同的。

天線的通用電氣指標主要有工作頻段（Frequency Range）和功率容量（Power Capacity）等。

1. 工作頻段

天線在一定的頻率范圍內工作，滿足指標要求的頻率范圍即天線的工作頻段。工作頻段的寬度稱為工作帶寬。

2. 功率容量

功率容量指在規定的時間周期內，按規定的條件，可連續地加到天線上而又不至于降低其性能的最大連續射頻功率。

3. 增益

增益即輸入功率相等時，在空間同一點處，實際天線與理想的輻射單元所產生的信號功率密度的比值。天線增益可用于定量地描述天線輸出功率集中輻射的程度，用來衡量天線朝一個特定方向收發信號的能力，天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

4. 旁瓣抑制與零點填充

旁瓣抑制指基站天線應盡可能降低瞄準受干擾小區的旁瓣輻射功率，減少覆蓋區域無用信號與有用信號之比，來減少對鄰區的干擾。

零點填充是指為了使業務區內的輻射電平更均勻，在天線的垂直面內，對下旁瓣第一零點采用賦形波束加以填充，通常零點深度相對于主波束>-20 dB即表示天線有零點填充。

移動天線產品種類眾多、型號各異，根據其應用場景的不同，一般可以分為室內分布式天線、室外基站天線、美化天線等。其中，室外基站天線有智能天線、多波束天線等，舉例如下。

智能天線是指采用雙極化輻射單元，組成定向（特定方向內）或全向（360°）陣列進行波束掃描的天線陣列。天線陣列是指單個天線按一定規律排列組成的天線系統。智能天線可以判定信號的傳播方向，具有跟蹤、定位信號源的智能算法，并且可以根據信息進行空域濾波。

多波束天線是能產生多個元波束的天線，多個元波束可以合成一個或多個成形波束以覆蓋特定的空域。

MIMO技術在發射機、接收機上同時使用多副天線。理論上，信道容量隨發送端、接收端的最小天線數量呈現線性增長，MIMO模式與單天線模式相比，信道容量明顯增大。MIMO使信號在空間上獲得了天線陣列增益等，具體見7.7節的描述。

Massive MIMO是5G中提高系統容量和頻譜利用率的關鍵技術，基站配置的天線通常為幾十副以上，是普通MIMO系統天線數量的數倍。圖2-10展示了5G的Massive MIMO天線，其詳細技術特點在第7章中詳細闡述。