大規模MIMO天線設計及對5G系統的影響分析

◆黃文超

(廣東省電信規劃設計院有限公司 廣東 510630)

大規模MIMO天線設計及對5G系統的影響分析

◆黃文超

(廣東省電信規劃設計院有限公司 廣東 510630)

隨著社會的全面發展，大規模MIMO天線設計及對5G系統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系統的穩定性得到全面的增強。本文主要針對大規模MIMO天線設計及對5G系統的影響進行分析，并提出了相應的優化措施。

大規模MIMO；天線設計；5G系統

0 引言

在互聯網快速發展的今天，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，對其系統結構體系進行相應的優化。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系統技術原理

隨著天線分集以及空時處理技術的發展，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點以及特性，而MIMO技術正是巧妙并且恰當的運用了這些優點以及特性，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，通常要想在發送端以及接收端同時采用多天線系統的話，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。【1】

2 大規模MIMO天線設計方法

通過調查研究顯示，大規模MIMO天線要想實現方向圖正交性，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。【2】一般來說大規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）保持適當的單元間距。

與常規天線不同的是，大規模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模MIMO天線獲得波束調節的自由度，而且天線校準還能夠為大規模MIMO天線系統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射信號以及接收信號在天線口實現疊加。

3 大規模MIMO天線對5G系統的影響

3.1 天線單元數量

MIMO系統的容量會隨著接收機和發射機兩側的天線單元的最小數量呈線性增加趨勢。當借手機或發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，這樣系統的數據傳輸速度就會增加。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，在實際產生的系統中，天線單元的數量不能任意大。所以，在一個大規模的MIMO系統中，首先要解決的問題就是需要多少天線單元。【3】

根據研究結果顯示，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量大于100時，此時的速率趨于穩定，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量，其速率會隨著基站天線單元的數量不斷增加，但當基站天線單元的數量大到一定值時，其速率會趨于穩定狀態。但一味的依靠大量的額外基站天線單元來使得系統容量提升是沒有任何意義的。所以，對于一個大規模的MIMO系統所需要的基站天線單元數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量有一定的關系。對于常規的MIMO系統，可以在基站側獲取相關的信道狀態信息，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系統中，信道的頻率資源或大致時間與發射天線的數量成正比關系，與接收天線數量無關。對于TDD系統，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量有關。對于FDD系統而言，上下行使用的頻段不同，所以對于上下行的信道狀態信息需要分別進行估計。【4】對于上行的信道，開銷與TDD系統一致；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送導頻符號，然后再根據用戶所反饋的信息，對下行信道狀態做出估計，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量成正比。當基站的側天線數量不斷增長時，在FDD系統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。當基站側當天線數量到達100時，可以斷定信道的開銷與天線的數量有關。

3.3 天線頻段

工作頻段是天線的關鍵參數，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

大規模MIMO天線設計及對5G系統的影響十分顯著。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據分析。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劃。采用不同頻段以及模式讓無線單元量得到持續性的增強。最終達到良好的應用效果。

[1]奧麗亞．多用戶大規模 MIM0系統中的檢測技術研究[D]．大連海事大學，2016．

[2]邰雙嬌．大規模MIMO系統的天線選擇技術研究[D]．大連海事大學，2016．

[3]鞏赫赫．大規模 MIMO系統的干擾抑制合并技術研究[D]．大連海事大學，2016．

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