大規(guī)模MIMO天線設計及對5G系統(tǒng)的影響分析

◆黃文超

(廣東省電信規(guī)劃設計院有限公司 廣東 510630)

大規(guī)模MIMO天線設計及對5G系統(tǒng)的影響分析

◆黃文超

(廣東省電信規(guī)劃設計院有限公司 廣東 510630)

隨著社會的全面發(fā)展，大規(guī)模MIMO天線設計及對5G系統(tǒng)的影響分析十分關鍵。其不僅能夠讓天線的設計更加科學合理，還能讓5G系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到全面的增強。本文主要針對大規(guī)模MIMO天線設計及對5G系統(tǒng)的影響進行分析，并提出了相應的優(yōu)化措施。

大規(guī)模MIMO；天線設計；5G系統(tǒng)

0 引言

在互聯(lián)網快速發(fā)展的今天，MIMO天線設計也有了更高的要求。為了能夠讓5G系統(tǒng)全面的應用到人們的生活之中，需要采用多種不同的方式，對其系統(tǒng)結構體系進行相應的優(yōu)化。但在實際的應用過程中，其依舊會面臨諸多的困境。所以，為了能夠讓5G系統(tǒng)的應用實效性得到增強，需要對MIMO天線設計進行及時的改進，最終達到良好的應用效果。

1 MIMO系統(tǒng)技術原理

隨著天線分集以及空時處理技術的發(fā)展，MIMO無線通信技術誕生了。它具有天線分集以及智能天線技術的優(yōu)越性，從廣義上來說，它應當屬于智能天線的范疇。MIMO技術的先進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，有效提高無線通信的速度以及質量，為人們的生活以及生產帶來了極大的便利。這主要得以于它對無線傳輸以及信號處理技術的運用，此外它還有效的運用了無線信道的多徑傳播功能，這對于空間并行傳播通道的建立起到了至關重要的作用。

其實無線信道多徑傳播具有非常多的優(yōu)點以及特性，而MIMO技術正是巧妙并且恰當?shù)倪\用了這些優(yōu)點以及特性，從而有效提高了無線通信的質量以及效率。例如，在無線電通訊過程中，通常要想在發(fā)送端以及接收端同時采用多天線系統(tǒng)的話，一般只需要滿足兩個條件：其一是各天線的單元間距要保持在一定的長度范圍內；其二是對于無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。只有當這兩個條件都滿足之后，各對收發(fā)天線單元間的多徑衰落才能夠趨向于獨立，當然這也是使一些具有相同頻率、相同時間等特征的子信道趨向于相互正交條件?！?】

2 大規(guī)模MIMO天線設計方法

通過調查研究顯示，大規(guī)模MIMO天線要想實現(xiàn)方向圖正交性，就要從空間、角度以及極化等方面入手，而對于天線的設計也提出了相應的要求，主要可以概括為多分級、低相關、高增益以及高隔離等幾個方面。還有一個值得注意的問題是，通常在MIMO系統(tǒng)的基站都會需要有大量的天線，但是實際的工程要求又對天線的整體體積提出了相應的要求，那就是天線的整體體積要適中，不能夠過大，因此在實際的施工過程中要對天線的密度、間距等方面要進行嚴格的管控，否則會對傳輸信道以及信道容量產生極大的影響?！?】一般來說大規(guī)模天線的單元性能以及陣列性能都應該遵循以下幾點：

（1）低相關性、高隔離以及高增益；

（2）多分級、多頻段；

（3）保持適當?shù)膯卧g距。

與常規(guī)天線不同的是，大規(guī)模MIMO天線對于校準網絡也提出了相應的要求。校準網絡能夠有效幫助大規(guī)模MIMO天線獲得波束調節(jié)的自由度，而且天線校準還能夠為大規(guī)模MIMO天線系統(tǒng)的工作效率以及工作質量提供保障，當然最主要的目的是為了能夠有效的保證發(fā)射信號以及接收信號在天線口實現(xiàn)疊加。

3 大規(guī)模MIMO天線對5G系統(tǒng)的影響

3.1 天線單元數(shù)量

MIMO系統(tǒng)的容量會隨著接收機和發(fā)射機兩側的天線單元的最小數(shù)量呈線性增加趨勢。當借手機或發(fā)射機具有越多的配置天線單元時，傳輸信道就具有越高的自由度，這樣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度就會增加。但是，當計算和硬件變得越來越復雜，信號處理的能源消耗越來越多時，在實際產生的系統(tǒng)中，天線單元的數(shù)量不能任意大。所以，在一個大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)中，首先要解決的問題就是需要多少天線單元?！?】

根據(jù)研究結果顯示，在低噪音的情況下，可以將額外基站的天線單元顯著提高。當基站天線單元的數(shù)量大于100時，此時的速率趨于穩(wěn)定，無關于信噪比。當不斷增加基站天線單元時，需要保證速率基本恒定，作出仿真速率的測試。對于單天線用戶同時接入的數(shù)量，其速率會隨著基站天線單元的數(shù)量不斷增加，但當基站天線單元的數(shù)量大到一定值時，其速率會趨于穩(wěn)定狀態(tài)。但一味的依靠大量的額外基站天線單元來使得系統(tǒng)容量提升是沒有任何意義的。所以，對于一個大規(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，其研究和試驗樣機通常與TDD系的大小相關，而信道的開銷也與天線的數(shù)量有一定的關系。對于常規(guī)的MIMO系統(tǒng)，可以在基站側獲取相關的信道狀態(tài)信息，之后可以在基站的后方對多用戶預編碼和上行多用戶進行檢測。在MIMO系統(tǒng)中，信道的頻率資源或大致時間與發(fā)射天線的數(shù)量成正比關系，與接收天線數(shù)量無關。對于TDD系統(tǒng)，由于上下行傳輸使用的頻率都一致，所以，只需要估計上行鏈路的信道，信道估計只與終端天線數(shù)量有關。對于FDD系統(tǒng)而言，上下行使用的頻段不同，所以對于上下行的信道狀態(tài)信息需要分別進行估計?！?】對于上行的信道，開銷與TDD系統(tǒng)一致；對于下行的信道需要進行2個步驟：首先向基站中的所有用戶發(fā)送導頻符號，然后再根據(jù)用戶所反饋的信息，對下行信道狀態(tài)做出估計，再將信息傳送給基站。傳輸下行導頻符號所需的時間與基站側的天線數(shù)量成正比。當基站的側天線數(shù)量不斷增長時，在FDD系統(tǒng)中的下行信道的估計策略則不能接受。例如：當假設信道的相干間隔達到1ms×100kHz時，這時能夠足夠100個符號進行傳輸。當基站側當天線數(shù)量到達100時，可以斷定信道的開銷與天線的數(shù)量有關。

3.3 天線頻段

工作頻段是天線的關鍵參數(shù)，隨著5G高頻段研究的廣泛開展，30 GHz或更高頻段的毫米波通信備受關注。在整體的應用過程中，其需要采用多種不同的方式對其天線的設計進行全面的鋪展。并對每一個頻段的變化情況進行具體的偵測，從而讓天線頻段的應用效率得到全面性的增強。

4 結語

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

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

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

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

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