大规模MIMO阵列天线的波束形成

2023-04-22 12:44:16 734

随着高频无线电传播损耗的增加，须通过采用大规模阵列天线作为5G多天线技术，以达到自适应控制天线方向性的目的来补偿这种损耗。本文介绍了5G多天线技术，讨论了10 Gbps以上超高速率的可行性。

01. 引入大规模阵列天线

一个传统的宏蜂窝包含覆盖配置中多个小蜂窝(或准宏蜂窝)。在该方案中，宏蜂窝使用现有系统所采用的超高频(UHF)频带(0.3～3 GHz)，而覆盖小小区使用更高的频带，即低超高频(SHF)频带(3～6 GHz)、高SHF频带(6～30 GHz)和甚高频(EHF)频带(30～300 GHz)。

该方案还为通过宏蜂窝处理控制信号的控制平面(C平面)建立了连接链路，并为通过覆盖单元(即C/U分离连接)处理用户数据的用户平面(U平面)专门建立了连接链路。宏蜂窝利用UHF频段维持业务区域，覆盖小区利用高频频段拓宽信号带宽，实现超高比特率。

02. 大规模阵列天线的波束形成

当使用具有均匀间距的扁平天线阵列作为20 GHz频段中的大规模阵列天线时，且如果将阵元间距设置为波长的一半(7.5毫米)时，可以将256个单元安装在约12平方厘米的区域中。

对于相同的区域，当使用更高的频带(更短的波长)时，可以安装的单元数量会显著增加。大规模阵列天线可以通过控制从每个单元发送(接收)信号的幅度和相位来产生窄的波束(天线方向性)。

上图显示了在3.5GHz、10GHz和20GHz波段中，所有天线单元的总发射功率为33dbm时的波束形成效果。具体地说，该图显示了这些频段中的每一个频段以及20、40和80平方厘米的大规模阵列天线的波束到达距离。

通过对相同单元数的这些结果的比较，可以看出：到达距离随着频率的升高而变短，但是即使在20 GHz的情况下，对于相同的天线尺寸，到达距离也不会显著减小。然而，虽然对于10 GHz频段中的100(10×10)单元天线，到达距离跳到490 m。

但是对于20 GHz天线，对于相同的天线尺寸，需要超过400(20×20)个单元来实现大约相同的到达距离。换言之，随着频率的增加，元件的数量和成本都会增加。因此，在大规模阵列天线中寻找降低此类成本的措施已成为5G多天线技术中的一个问题。

03. 大规模MIMO

使用大规模阵列天线的多输入多输出(MIMO)传输称为“大规模MIMO”。如图所示，通过传播损耗补偿适当地控制大规模MIMO中的大规模阵列天线可以扩展通信区域，并且还可以通过同时复用多个用户的用户复用来提高高频带小区的系统容量。大规模MIMO还可以通过一个以上数据流的空间复用来提高单个用户的通信比特率。

为了实现这些能力，在发射机中需要通过预编码处理来防止用户之间和数据流之间的干扰。此外，为了实现高精度的预编码，发射机中还需要传送无线传播信道状态的信道状态信息(CSI)，因此必须将在终端侧估计的CSI反馈到基站。还可以考虑将该CSI与通过基于时分双工(TDD)的信道互易性获得的CSI相结合的方法。

04. 全数字大规模MIMO

下图是采用正交频分复用(OFDM)典型大规模MIMO发射机的配置。这种发射机需要数模转换器(DAC)和与发射机天线元件相同数量的上变频器。类似地，它还要求基带处理电路执行逆快速傅里叶变换(IFFT)，并将循环前缀(CP)作为信号处理附加到信号上，其数目与发射机天线单元的数目完全相同。

这种配置中，在频域中使用CSI的数字预编码将成为可能，这在高性能处理中称为“全数字大规模MIMO”。然而，在SHF高频段和EHF波段实现全数字大规模MIMO并非没有问题。例如，它所要求的DAC和模数转换器(ADC)的价格都很昂贵，并且由于信号带宽较宽而消耗相对较多的功率，而且它还需要大量的单元射频电路，因此难以进行高性能的处理。

05. 混合波束形成

波束形成是指将波束指向无线电信号辐射(到达)的方向，因此在允许一定程度的性能降级后，可以考虑在整个频带上的总的波束形成。在这种情况下，对所有子载波上的波束形成过程进行通用化，将会使波束形成在IFFT处理之后移动到一个位置，并且只有数字预编码中的波束形成移动到时域状态。

为了实现低成本的大规模MIMO发射机，已经对混合波束形成配置进行了研究，该混合波束形成配置将数字预编码和模拟波束形成相结合，如图所示。这种配置只将全数字配置中的波束形成过程移动到时域进行，并用射频电路中由可变移相器实现的模拟波束形成来代替。在这种混合波束形成配置中，只需对DAC和上变频器的波束数L值进行预处理，就可以减少IFFT过程的数量。

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