◆黃文超

(廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 廣東 510630)

大規(guī)模MIMO天線設(shè)計(jì)及對(duì)5G系統(tǒng)的影響分析

◆黃文超

(廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 廣東 510630)

隨著社會(huì)的全面發(fā)展，大規(guī)模MIMO天線設(shè)計(jì)及對(duì)5G系統(tǒng)的影響分析十分關(guān)鍵。其不僅能夠讓天線的設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理，還能讓5G系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到全面的增強(qiáng)。本文主要針對(duì)大規(guī)模MIMO天線設(shè)計(jì)及對(duì)5G系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

大規(guī)模MIMO；天線設(shè)計(jì)；5G系統(tǒng)

0 引言

在互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，MIMO天線設(shè)計(jì)也有了更高的要求。為了能夠讓5G系統(tǒng)全面的應(yīng)用到人們的生活之中，需要采用多種不同的方式，對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。但在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，其依舊會(huì)面臨諸多的困境。所以，為了能夠讓5G系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)效性得到增強(qiáng)，需要對(duì)MIMO天線設(shè)計(jì)進(jìn)行及時(shí)的改進(jìn)，最終達(dá)到良好的應(yīng)用效果。

1 MIMO系統(tǒng)技術(shù)原理

隨著天線分集以及空時(shí)處理技術(shù)的發(fā)展，MIMO無(wú)線通信技術(shù)誕生了。它具有天線分集以及智能天線技術(shù)的優(yōu)越性，從廣義上來(lái)說(shuō)，它應(yīng)當(dāng)屬于智能天線的范疇。MIMO技術(shù)的先進(jìn)性主要在于它能夠在不增加寬帶以及發(fā)射功率的情況下，有效提高無(wú)線通信的速度以及質(zhì)量，為人們的生活以及生產(chǎn)帶來(lái)了極大的便利。這主要得以于它對(duì)無(wú)線傳輸以及信號(hào)處理技術(shù)的運(yùn)用，此外它還有效的運(yùn)用了無(wú)線信道的多徑傳播功能，這對(duì)于空間并行傳播通道的建立起到了至關(guān)重要的作用。

其實(shí)無(wú)線信道多徑傳播具有非常多的優(yōu)點(diǎn)以及特性，而MIMO技術(shù)正是巧妙并且恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)用了這些優(yōu)點(diǎn)以及特性，從而有效提高了無(wú)線通信的質(zhì)量以及效率。例如，在無(wú)線電通訊過(guò)程中，通常要想在發(fā)送端以及接收端同時(shí)采用多天線系統(tǒng)的話，一般只需要滿足兩個(gè)條件：其一是各天線的單元間距要保持在一定的長(zhǎng)度范圍內(nèi)；其二是對(duì)于無(wú)線信道散射傳播的多徑分量的要求，其分量要足夠的豐富方可。只有當(dāng)這兩個(gè)條件都滿足之后，各對(duì)收發(fā)天線單元間的多徑衰落才能夠趨向于獨(dú)立，當(dāng)然這也是使一些具有相同頻率、相同時(shí)間等特征的子信道趨向于相互正交條件?！?】

2 大規(guī)模MIMO天線設(shè)計(jì)方法

通過(guò)調(diào)查研究顯示，大規(guī)模MIMO天線要想實(shí)現(xiàn)方向圖正交性，就要從空間、角度以及極化等方面入手，而對(duì)于天線的設(shè)計(jì)也提出了相應(yīng)的要求，主要可以概括為多分級(jí)、低相關(guān)、高增益以及高隔離等幾個(gè)方面。還有一個(gè)值得注意的問(wèn)題是，通常在MIMO系統(tǒng)的基站都會(huì)需要有大量的天線，但是實(shí)際的工程要求又對(duì)天線的整體體積提出了相應(yīng)的要求，那就是天線的整體體積要適中，不能夠過(guò)大，因此在實(shí)際的施工過(guò)程中要對(duì)天線的密度、間距等方面要進(jìn)行嚴(yán)格的管控，否則會(huì)對(duì)傳輸信道以及信道容量產(chǎn)生極大的影響?！?】一般來(lái)說(shuō)大規(guī)模天線的單元性能以及陣列性能都應(yīng)該遵循以下幾點(diǎn)：

（1）低相關(guān)性、高隔離以及高增益；

（2）多分級(jí)、多頻段；

（3）保持適當(dāng)?shù)膯卧g距。

與常規(guī)天線不同的是，大規(guī)模MIMO天線對(duì)于校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)也提出了相應(yīng)的要求。校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)能夠有效幫助大規(guī)模MIMO天線獲得波束調(diào)節(jié)的自由度，而且天線校準(zhǔn)還能夠?yàn)榇笠?guī)模MIMO天線系統(tǒng)的工作效率以及工作質(zhì)量提供保障，當(dāng)然最主要的目的是為了能夠有效的保證發(fā)射信號(hào)以及接收信號(hào)在天線口實(shí)現(xiàn)疊加。

3 大規(guī)模MIMO天線對(duì)5G系統(tǒng)的影響

3.1 天線單元數(shù)量

MIMO系統(tǒng)的容量會(huì)隨著接收機(jī)和發(fā)射機(jī)兩側(cè)的天線單元的最小數(shù)量呈線性增加趨勢(shì)。當(dāng)借手機(jī)或發(fā)射機(jī)具有越多的配置天線單元時(shí)，傳輸信道就具有越高的自由度，這樣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度就會(huì)增加。但是，當(dāng)計(jì)算和硬件變得越來(lái)越復(fù)雜，信號(hào)處理的能源消耗越來(lái)越多時(shí)，在實(shí)際產(chǎn)生的系統(tǒng)中，天線單元的數(shù)量不能任意大。所以，在一個(gè)大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)中，首先要解決的問(wèn)題就是需要多少天線單元。【3】

根據(jù)研究結(jié)果顯示，在低噪音的情況下，可以將額外基站的天線單元顯著提高。當(dāng)基站天線單元的數(shù)量大于100時(shí)，此時(shí)的速率趨于穩(wěn)定，無(wú)關(guān)于信噪比。當(dāng)不斷增加基站天線單元時(shí)，需要保證速率基本恒定，作出仿真速率的測(cè)試。對(duì)于單天線用戶同時(shí)接入的數(shù)量，其速率會(huì)隨著基站天線單元的數(shù)量不斷增加，但當(dāng)基站天線單元的數(shù)量大到一定值時(shí)，其速率會(huì)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。但一味的依靠大量的額外基站天線單元來(lái)使得系統(tǒng)容量提升是沒(méi)有任何意義的。所以，對(duì)于一個(gè)大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)所需要的基站天線單元數(shù)量完全取決于具體的情況。

3.2 TDD與FDD模式

在目前的5G系統(tǒng)中，其研究和試驗(yàn)樣機(jī)通常與TDD系的大小相關(guān)，而信道的開(kāi)銷也與天線的數(shù)量有一定的關(guān)系。對(duì)于常規(guī)的MIMO系統(tǒng)，可以在基站側(cè)獲取相關(guān)的信道狀態(tài)信息，之后可以在基站的后方對(duì)多用戶預(yù)編碼和上行多用戶進(jìn)行檢測(cè)。在MIMO系統(tǒng)中，信道的頻率資源或大致時(shí)間與發(fā)射天線的數(shù)量成正比關(guān)系，與接收天線數(shù)量無(wú)關(guān)。對(duì)于TDD系統(tǒng)，由于上下行傳輸使用的頻率都一致，所以，只需要估計(jì)上行鏈路的信道，信道估計(jì)只與終端天線數(shù)量有關(guān)。對(duì)于FDD系統(tǒng)而言，上下行使用的頻段不同，所以對(duì)于上下行的信道狀態(tài)信息需要分別進(jìn)行估計(jì)。【4】對(duì)于上行的信道，開(kāi)銷與TDD系統(tǒng)一致；對(duì)于下行的信道需要進(jìn)行2個(gè)步驟：首先向基站中的所有用戶發(fā)送導(dǎo)頻符號(hào)，然后再根據(jù)用戶所反饋的信息，對(duì)下行信道狀態(tài)做出估計(jì)，再將信息傳送給基站。傳輸下行導(dǎo)頻符號(hào)所需的時(shí)間與基站側(cè)的天線數(shù)量成正比。當(dāng)基站的側(cè)天線數(shù)量不斷增長(zhǎng)時(shí)，在FDD系統(tǒng)中的下行信道的估計(jì)策略則不能接受。例如：當(dāng)假設(shè)信道的相干間隔達(dá)到1ms×100kHz時(shí)，這時(shí)能夠足夠100個(gè)符號(hào)進(jìn)行傳輸。當(dāng)基站側(cè)當(dāng)天線數(shù)量到達(dá)100時(shí)，可以斷定信道的開(kāi)銷與天線的數(shù)量有關(guān)。

3.3 天線頻段

工作頻段是天線的關(guān)鍵參數(shù)，隨著5G高頻段研究的廣泛開(kāi)展，30 GHz或更高頻段的毫米波通信備受關(guān)注。在整體的應(yīng)用過(guò)程中，其需要采用多種不同的方式對(duì)其天線的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的鋪展。并對(duì)每一個(gè)頻段的變化情況進(jìn)行具體的偵測(cè)，從而讓天線頻段的應(yīng)用效率得到全面性的增強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

大規(guī)模MIMO天線設(shè)計(jì)及對(duì)5G系統(tǒng)的影響十分顯著。在進(jìn)行天線設(shè)計(jì)的過(guò)程中，其首先需要對(duì)天線設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析。與此同時(shí)，還要采取多種不同的方式對(duì)其天線設(shè)計(jì)的整體的體系進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)劃。采用不同頻段以及模式讓無(wú)線單元量得到持續(xù)性的增強(qiáng)。最終達(dá)到良好的應(yīng)用效果。

[1]奧麗亞．多用戶大規(guī)模 MIM0系統(tǒng)中的檢測(cè)技術(shù)研究[D]．大連海事大學(xué)，2016．

[2]邰雙嬌．大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的天線選擇技術(shù)研究[D]．大連海事大學(xué)，2016．

[3]鞏赫赫．大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)的干擾抑制合并技術(shù)研究[D]．大連海事大學(xué)，2016．

[4]于凱．5G移動(dòng)通信系統(tǒng)中3D MIMO的波束形成[D]．大連海事大學(xué)，2016．