理解大規模天線首先需要了解波束成形技術。 

   傳統通信方式是基站與手機間單天線到單天線的電磁波傳播，而在波束成形技術中，基站端擁有多根天線，可以自動調節各個天線發射信號的相位，使其在手機接收點形成電磁波的疊加，從而達到提高接收信號強度的目的。

   從基站方面看，這種利用數字信號處理產生的疊加效果就如同完成了基站端虛擬天線方向圖的構造，因此稱為”波束成形” (Beamforming)。通過這一技術，發射能量可以匯集到用戶所在位置，而不向其他方向擴散，并且基站可以通過監測用戶的信號，對其進行實時跟蹤，使最佳發射方向跟隨用戶的移動，保證在任何時候手機接收點的電磁波信號都處于疊加狀態。打個比方，傳統通信就像燈泡，照亮整個房間，而波速成形就像手電筒，光亮可以智能地匯集到目標位置上。

   在實際應用中，多天線的基站也可以同時瞄準多個用戶，構造朝向多個目標客戶的不同波束，并有效減少各個波束之間的干擾。這種多用戶的波束成形在空間上有效地分離了不同用戶間的電磁波，是大規模天線的基礎所在。

大規模天線陣列

   大規模天線陣列正是基于多用戶波束成形的原理，在基站端布置幾百根天線，對幾十個目標接收機調制各自的波束，通過空間信號隔離，在同一頻率資源上同時傳輸幾十條信號。這種對空間資源的充分挖掘，可以有效利用寶貴而稀缺的頻帶資源，并且幾十倍地提升網絡容量。

   下圖是美國萊斯大學的大規模天線陣列原型機中看到由64個小天線組成的天線陣列，這很好地展示了大規模天線系統的雛形。

大規模天線陣列的優勢

   大規模天線并不只是簡單地擴增天線數量，因為量變可以引起質變。依據大數定理和中心極限定理，樣本數趨向于無窮，均值趨向于期望值，而獨立隨機變量的均值分布趨向于正態分布。隨機變量趨于穩定，這正是“大”的美。    在單天線對單天線的傳輸系統中，由于環境的復雜性，電磁波在空氣中經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的衰落，影響用戶接收到的信號質量。而 當基站天線數量增多時，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，這對于通信系統而言變得簡單而易于處理。    大規模天線有哪些好處?    第一，當然是大幅度提高網絡容量。    第二，因為有一堆天線同時發力，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射信號，從而避免使用昂貴的大動態范圍功率放大器，減少了硬件成本。    第三，大數定律造就的平坦衰落信道使得低延時通信成為可能。傳統通信系統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突發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的連續錯誤），而這種揉雜過程導致接收機需完整接受所有數據才能獲得信息，造成時延。在大規模天線下，得益于大數定理而產生的衰落消失，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，與大規模天線形成完美匹配的是5G的另一項關鍵技術——毫米波。毫米波擁有豐富的帶寬，可是衰減強烈，而大規模天線的波束成形正好補足了其短板。