5G中多天线架构和实现

本文讨论的是MIMO和波束赋形技术背后的高层次设计原则，以满足NR系统的要求。载波频率越高，相对于波长的固定天线尺寸，路径损耗会显著增加。然而，在较高的载波频率下较小的天线尺寸意味着在相同的区域中安装更多的天线。可以通过使用更多天线来克服随载波频率增加带来的路径损耗，而无需增加天线阵列的整体物理尺寸。此外，当载频增加到大约10GHz以上时，衍射将不再是主要的传播机制。在10Ghz以上，反射和散射将是非视距传输链路最重要的传输机制。

大规模天线阵列对于NR系统提供高覆盖率和高容量性能至关重要。大规模MIMO系统提供了几个好处：

大规模天线阵的覆盖增强能力对于缓解高载频下的传播挑战具有重要意义。对于以高密度部署（例如在较低载波频率）运行的干扰受限系统而言，容量增强能力将是重要的。另外，MIMO技术可以将能量引导到所需的方向，较窄的波束宽度可以减少系统中的干扰。通过使用有源天线系统（AAS：active antenna systems），还可以实现更好的能效和对业务状况的更好的适应性。

天线阵列架构

对于下一代无线接入，单用户、多用户和波束赋形方案是必不可少的。由于不同的载波频率和部署场景，可以使用不同的传输和接收技术。如图1和图2中描述的全数字基带、混合阵列、模拟/RF阵列解决方案将以各种方式被基站和UE的不同实现使用。了解不同的候选架构对于定义与天线阵列架构无关的系统是重要的。如图1和图2所示，三种主要阵列架构之间的区别在于波束赋形操作发生的位置（如射频/模拟域与基带/数字域）。

基带架构：在图1的基带架构中，每个天线单元或天线端口都有一个收发机单元，并且波束赋形操作在基带数字域中发生在上混频到RF之前。基带架构提供了高度的灵活性，例如跨OFDMA子载波的频率选择性波束赋形，但代价是在每个天线单元后面使用收发机单元。这种架构是LTE的选择，因为天线端口的数量（例如大约32个端口）与天线成本之间的关系仍然是可管理的。然而，基带架构的一个缺点是它不能在高载波频率中伸缩。在cmWave或mmWave波段使用大规模天线阵列带来了各种挑战，因为系统带宽很高，并且需要大量天线元件来克服这些波段中的传播挑战。在大规模阵列中，在每个天线单元后面使用单独的收发机变得非常困难，这不仅是因为成本原因，而且还因为宽带需要非常高速的A/D和D/A处理器，这些处理器具有显著的功耗要求。简单地将相同的MIMO基带架构扩展到高频带目前在经济上是不可行的，考虑到可以使用相当多的端口，例如256个。

射频架构：基带架构的替代方案是全射频架构，如图1所示，其中MIMO和波束赋形的控制在模拟域的射频上执行，射频组件也具有相移和潜在的增益调整能力。与基带架构相比，具有RF架构的频率选择性波束赋形通常是不可行的，因为在整个信号带宽上在RF处应用发射权重。

混合架构：数字架构和全射频架构之间的中间地带是混合架构，其中MIMO和波束赋形的控制在射频和基带之间分开。图2展示了混合架构的两个示例，其中除了基带MIMO预编码之外，在RF处对多个流进行波束赋形。在混合架构中5g基站天线，每个RF波束由收发机驱动，并且在基带处对收发机的输入应用多流波束加权或预编码。图2的上图显示了用于“fully connected”阵列配置的混合架构，其中多个RF波束赋形权重向量并行地应用于阵列的所有天线单元。相反，右图显示了用于“sub-array”配置的混合架构，其中每个RF权重向量应用于天线元件的唯一子集。子阵列配置的一个优点是在天线单元后面缺少求和设备。混合架构在全RF架构上提供了额外的灵活性，因为基带发射部分可以跨信号带宽自适应以进一步优化性能。此外，通过基带预编码提供多波束传输的能力有望提高容量和覆盖性能。

图1 : 天线阵列架构（上面是基带，下面是RF）

图2: 混合天线阵列架构（全连接模式，上面是Fully Connected，下面是sub-array）

从标准化的角度来看，支持不同的体系结构并不一定要求在实际实现中使用任何特定的体系结构。基带架构可以支持以混合架构设计的方法。当然，涉及在模拟RF域中形成的波束的方法也可以在基带数字域中实现，即使实际实现问题可能显著不同。然而，为数字体系结构设计的方法不一定能够通过RF或混合体系结构有效地或实际地实现。

近在LTE Rel-13和Rel-14中，在支持更大的天线阵列和更高数量的天线端口方面做了大量的工作。FD-MIMO和eFD-MIMO工作的目标是支持LTE Rel-13和Rel-14的多达32个天线端口。对于NR系统，Rel-13和Rel-14中的FD-MIMO和eFD-MIMO机制应被用作MIMO和波束赋形设计的起点，重点是在严重的覆盖挑战和容量挑战的场景中为具有混合架构的大规模天线阵列提供有效的支持。

由于支持高达100Ghz的载波频率带来的挑战，对SU/MU-MIMO和波束赋形解决方案的支持应在天线端口数量、收发器端口数量、天线阵列结构和物理天线单元数量方面完全可扩展。

天线阵列实现

当使用高达100GHz的频带，天线阵列该如何设计呢？

天线阵列尺寸：随着载波频率的增加，波长减小，天线单元的尺寸通常与波长成正比。结果是，随着载波频率的增加，可以放入给定固定区域的天线数量显著增加。从另一个角度看，随着载频的升高，固定天线单元数的阵列尺寸显著减小。下表1显示了具有8行、8列和2个偏振的阵列的大小（假设共有交叉偏振元素的二维阵列）作为频率的函数。下表2从3.5GHz下128个天线2D阵列所需的面积开始，显示了可以放入该区域的天线数量与载波频率的函数关系。

天线阵列配置：均匀矩形面板阵列模型涉及到使用由多个子面板组成的单个面板阵列，其中每个子面板是二维交叉极化阵列。这种布置通常将包括每个子面板的两个收发器单元，并且每个收发器单元通常将馈送横跨一个子面板内的共极化元件的波束。

天线阵列校准：一般而言，波束赋形方案需要某种形式的校准，以确保指向所需方向的良好波束图。由于存在特定于供应商的校准方案，可能不需要为天线阵列校准提供标准化支持。

（编辑：威海站长网）

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