面向5G的有源大規(guī)模MIMO天線研究

張長青　中國移動通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽分公司高級工程師

發(fā)展策略

面向5G的有源大規(guī)模MIMO天線研究

張長青中國移動通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽分公司高級工程師

5G系統(tǒng)是一個萬物互聯(lián)的高傳輸速率和高傳輸數(shù)據(jù)量的移動通信網(wǎng)絡(luò)，對無線傳輸?shù)乃俾?、容量和可靠性有很高的要求。傳統(tǒng)MIMO天線因?yàn)椴荒軓奶炀€振子的幾何位置上滿足設(shè)計要求，只能以預(yù)編碼方式予以補(bǔ)償，使得空間復(fù)用、空間分集和波束賦形等多天線基本應(yīng)用受到較大的限制。有源大規(guī)模MIMO天線是一款專為5G標(biāo)準(zhǔn)和需求設(shè)計的多天線系統(tǒng)，因能以專用、獨(dú)立和可插拔有源陣列模塊作為輻射單元，系統(tǒng)不僅可以同時獲得高質(zhì)量的空間復(fù)用、空間分集和波束賦形等功能，還能方便運(yùn)營商根據(jù)業(yè)務(wù)需要，對天線系統(tǒng)隨時升級擴(kuò)容和維護(hù)優(yōu)化。

5G；有源陣列模塊；大規(guī)模MIMO天線；波束賦形

1　引言

5G時代對小區(qū)分布要求將會越來越密集，對容量、能耗和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求也會越來越高，提升物理鏈路的傳輸速率，擴(kuò)展傳輸頻譜資源，高密度部署同構(gòu)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，將會是促進(jìn)5G系統(tǒng)高速發(fā)展移動數(shù)據(jù)流量、滿足移動用戶超帶寬業(yè)務(wù)需求的重要手段。5G應(yīng)用的特殊性，有可能使5G系統(tǒng)的無線傳輸采用頻率高于5GHz的載波通信，甚至是毫米波通信。通信理論指出，載波波長越短，則越利于收發(fā)天饋系統(tǒng)的小型化、集成化和振子數(shù)量的大規(guī)模化。有源天線將天線振子單元、輻射功放單元、耦合振蕩單元，甚至是相控陣單元集成一體，既可以使天饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，降低設(shè)備的重量和成本，便于天線的組合安裝，又可以減小電路的復(fù)雜度，降低功耗與輻射功率，方便天饋系統(tǒng)的優(yōu)化與維護(hù)。因此，有源大規(guī)模MIMO天線有潛力成為5G系統(tǒng)的重要選擇。

大規(guī)模MIMO天線是指天線振子單元少則幾十個，多則幾百個，可同時發(fā)送不同用戶的多組數(shù)據(jù)，或相同用戶的相同數(shù)據(jù)，既可以承載多用戶復(fù)用通信功能，也可以承載空間分集增益功能。傳統(tǒng)的有源陣列天線，實(shí)際上是指具有一定相控定位和波束成形功能的智能天線，既可以準(zhǔn)確地鎖定有用用戶的通信，又可以避免無用用戶的干擾，還可以提高發(fā)射功率密度，降低發(fā)射功率。顯然，這兩類天線都屬于多天線類型，但因技術(shù)要求的相互矛盾，無法使這兩類天線完全共享各自優(yōu)勢，且性能有限。本文研究的有源大規(guī)模MIMO天線，因其結(jié)構(gòu)的特殊性和其模塊功能的專用性，使之成為大規(guī)模MIMO天線和智能陣列相結(jié)合的產(chǎn)物，完全可以支持5G網(wǎng)絡(luò)同時應(yīng)用空間復(fù)用、空間分集和波束賦形等功能，因而可以成為5G網(wǎng)絡(luò)中無線接入系統(tǒng)的重要組成部分。

2　傳統(tǒng)MIMO天線性能分析

MIMO天線技術(shù)的特點(diǎn)是，充分利用多徑效應(yīng)，將傳統(tǒng)智能天線中的向量信道轉(zhuǎn)化為矩陣信道，系統(tǒng)既可以獲得空間復(fù)用增益，又可以獲得空間分集增益，還可以享用波束賦形效果。然而，傳統(tǒng)的MIMO天線，在傳輸方案設(shè)計時只能在空間復(fù)用、空間分集和波束賦三個方案中，根據(jù)實(shí)際要求最大化地獲取其中一種或兩種增益，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)MIMO天線的設(shè)計既存在技術(shù)方面的局限性，也存在業(yè)務(wù)需求方面的臨時應(yīng)用性。下面先從空間復(fù)用、空間分集、波束賦形和有源陣列四方面，簡單分析傳統(tǒng)MIMO天線的基本性能和要求。

2.1MIMO天線的空間復(fù)用技術(shù)

空間復(fù)用是指在無線信道的發(fā)射端使用多天線，接收端是多個單天線或多天線終端，使之能夠充分利用空間傳播的多徑分量，在同一頻帶內(nèi)同時使用多個數(shù)據(jù)通道傳輸多個不同信號，使無線通信容量能夠隨著收發(fā)天線數(shù)量的增加而線性增加，且不需要占用額外的傳輸帶寬，消耗額外的發(fā)射功率?？臻g復(fù)用的基本原理是，先將高速串行數(shù)據(jù)流變換成N個低速并行數(shù)據(jù)流，根據(jù)MIMO信道分配方案用預(yù)編碼處理，再用同一頻帶內(nèi)的N個子載波予以調(diào)制，而后將這N個調(diào)制信號從N個天線上同時發(fā)射出去。由于多徑傳播，每個發(fā)射天線針對接收端都將產(chǎn)生一個不同的空間信號，接收端則根據(jù)不同信號，利用相關(guān)解碼算法予以檢測，從而區(qū)分出各自不同的數(shù)據(jù)流。顯然，實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用的首要條件是發(fā)射天線和接收天線的振子間距，必須大到可以保證收發(fā)端各子信道是獨(dú)立衰落的不相關(guān)信道。

眾所周知，在MIMO天線的無線信道中存在大量的多徑信道，既可為系統(tǒng)提供較大的信道分集增益，增加空間復(fù)用的性能，也可能使信道間的相關(guān)性增加，當(dāng)信道間的相關(guān)性增加到一定程度時，MIMO天線的信道矩陣就會出現(xiàn)秩不足現(xiàn)象，從而影響系統(tǒng)的性能。當(dāng)然，空間復(fù)用也存在多用戶間相互干擾問題，尤其是大規(guī)模MIMO天線，但若在發(fā)送端采用預(yù)編碼技術(shù)，利用信道狀態(tài)信息（CSI）就可提高系統(tǒng)容量，降低系統(tǒng)誤碼率，減小技術(shù)的復(fù)雜度。所謂預(yù)編碼是將一路高速串行數(shù)據(jù)流映射為多路低速并行數(shù)據(jù)流，通過預(yù)編碼矩陣對低速并行數(shù)據(jù)流做行列變換，再將其從MIMO天線發(fā)送出去，如復(fù)雜度較高的基于信道分解的線性預(yù)編碼技術(shù)有奇異值分解（SVD）、幾何均值分解（GMD）和均勻信道分解（UCD），還有算法復(fù)雜度較低的LDR分解等預(yù)編碼技術(shù)等。

在空間復(fù)用中，每根發(fā)射天線發(fā)出的信號都會被所有接收天線收到，但接收天線只有收到屬于自己對應(yīng)的發(fā)射信號才有意義，所以接收端必須解碼才能正確選擇出自己應(yīng)該接收的信號?？臻g復(fù)用接收端的解碼算法有迫零（ZF）、最小均方誤差（MMSE）和最大似然（ML）等，其中ZF是一種線性接收方法，可以很好地分離同頻信號，但需要有較高的信噪比才能保持較好的性能；MMSE也是線性算法，可以使因噪聲和同頻信號相互干擾造成的錯誤最小，盡管降低了信號的分離質(zhì)量，但具有較好的抗噪性能；ML的接收性能最好，但計算復(fù)雜度較高。

2.2MIMO天線的空間分集技術(shù)

根據(jù)無線通信信號原理，接收機(jī)在收到原發(fā)信號的同時，若還能收到衰減程度相互獨(dú)立的原發(fā)信號的副本，則有助于接收機(jī)對接收信號的正確判決。這種用提供傳送信號的多個副本來提高接收信號正確判決幾率的方法叫分集。確切地說，分集是通過多個信道（時域、頻域和空域）承載相同信息的多個信號副本，由于各信道的傳輸特性不同，信號多個副本的衰落也不相同，但接收機(jī)可從這些多徑信號中分離出對應(yīng)的多路信號，并將多路信號的能量按照一定規(guī)則合并起來，使接收的有用信號的能量最大，正確的恢復(fù)出原始發(fā)送信號。顯然，分集技術(shù)是信息在發(fā)射前的“分”技術(shù)和信息在接收后的“集”技術(shù)，是一種為了改善信息傳輸?shù)目煽啃?，充分運(yùn)用傳輸中多徑信號的能量，根據(jù)信號的基本參數(shù)在時域、頻域和空域，實(shí)現(xiàn)如何分散又如何收集的傳輸技術(shù)。

MIMO信道存在的多徑效應(yīng)，容易引起衰落信道損耗和空間選擇衰落，若無分集技術(shù)，在信噪比較小時，發(fā)射機(jī)只有提高發(fā)送功率，才能在信道情況較差時保證鏈路的正常連接。移動通信中，由于終端電池容量有限，反向鏈路中所能獲得的功率非常有限，采用分集方法可以有效地降低終端的發(fā)射功率。MIMO天線可以利用空間信道中多個相同信號獨(dú)立樣本互不相關(guān)的特點(diǎn)，在接收端使用相應(yīng)的信號合并技術(shù)改善接收信號的質(zhì)量?；蛘哒f，MIMO天線利用空間分集可以使無線傳輸提高接收性能，因?yàn)榭臻g分集是一種涉及空間、時間、頻率、相位和編碼等多種發(fā)射資源相互組合的多天線技術(shù)，是利用電磁場強(qiáng)隨空間隨機(jī)變化實(shí)現(xiàn)的，空間距離越大，多徑傳播的差異性越大，引起傳播路徑中散射體的豐富程序也越大，從而使接收信號間的相似程度越小，空間分集的效果越好，所以MIMO天線振子間的距離也必須足夠大。

實(shí)現(xiàn)空間分集，首先需要考慮MIMO天線振子的幾何結(jié)構(gòu)，其次需要考慮空時編碼。實(shí)踐證明，要獲得較好的空間分集效果，發(fā)射端的發(fā)射天線振子間的距離至少要大于0.6個波長，且必須選在1/4波長奇數(shù)倍位置，接收端接收天線振子的間距至少要大于3個波長?？諘r編碼是一種多天線與空間分集和時間分集相結(jié)合、空間傳輸信號和時間傳輸信號相結(jié)合，同時利用空時兩維信號構(gòu)造碼字、提高數(shù)據(jù)傳輸率、實(shí)現(xiàn)空間分集的編碼技術(shù)?？諘r編碼在發(fā)射端將信息符號按天線和時隙合理分配，將系統(tǒng)發(fā)射的每組信息符號編碼成一個以空時兩域資源為單位的空時編碼矩陣，如正交空時分組碼（BSTBC），將串行高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成多個并行低速數(shù)據(jù)流后，經(jīng)過MIMO天線同時發(fā)射出去，接收端則利用空時碼字矩陣的正交性，使用基于線性處理的最大似然算法譯碼出所有信號。

2.3MIMO智能天線技術(shù)

智能天線的工作原理主要包括兩個過程，首先是天線系統(tǒng)對來自移動終端發(fā)射的多徑信號的波達(dá)方向（DOA）進(jìn)行估計，算出移動終端與基站的距離、下傾角和方位角后進(jìn)行空間濾波，從而抑制其它終端對基站的干擾；其次是基站根據(jù)DOA信息，調(diào)整天線各振子上信號的幅度和相位的權(quán)值，對智能天線發(fā)送的信號進(jìn)行數(shù)字波束賦形，使基站發(fā)射信號的主瓣能夠以較小的波瓣角和較高的功率密度，沿著移動終端電波信號的波達(dá)方向發(fā)送回移動終端，從而使智能天線發(fā)射的電磁波的主瓣方向?qū)?zhǔn)期望用戶，零瓣方向?qū)?zhǔn)干擾源，不僅能降低天線系統(tǒng)的發(fā)射功率，減少對其它終端的干擾，還能提高發(fā)射信號的信噪比，增加系統(tǒng)容量。顯然，智能天線的核心是波束賦形的產(chǎn)生和賦形波束的定位，既要產(chǎn)生功率密度極高、輻射距離更遠(yuǎn)的賦形波束，也要使賦形波束能夠準(zhǔn)確定位用戶終端。

MIMO天線的波束賦形是一種基于天線陣列的信號預(yù)處理技術(shù)，它是通過調(diào)整天線陣列中每個陣元的加權(quán)系數(shù)產(chǎn)生具有指向性的波束，從而獲得明顯的陣列增益。由于波束賦形具有較強(qiáng)的空間選擇性，因而在擴(kuò)大覆蓋范圍、改善邊緣吞吐量和干擾抑制等方面有很大優(yōu)勢。根據(jù)波動理論，如果智能天線上的所有同極化振子之間的距離都為1/2波長的整數(shù)倍，這些振子發(fā)射的同頻信號就可能存在半個波長或半個波長倍數(shù)倍的相位差，從而使得從這些振子上發(fā)射的同頻信號之間產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)某些方向的振幅增強(qiáng)、某些方向的振幅減弱的相長相消現(xiàn)象。若能根據(jù)信道條件適當(dāng)控制每個陣元的加權(quán)系數(shù)，同樣可以獲得在增強(qiáng)期望方向信號強(qiáng)度的同時，盡可能地降低對非期望方向的干擾。如果加權(quán)系數(shù)是通過終端的DOA參數(shù)預(yù)處理得到，則波束賦形就可以指向終端用戶。

傳統(tǒng)的波束賦形要求陣列陣元的間距是基于半個波長整數(shù)倍的小距離方式，是一種基于單數(shù)據(jù)流的空域獨(dú)占的預(yù)處理技術(shù)。預(yù)編碼則是基于天線陣列陣元大距離的、可同樣實(shí)現(xiàn)波束賦形效果的陣列信號預(yù)處理技術(shù)，是一種基于多數(shù)據(jù)流的空間復(fù)用的預(yù)處理技術(shù)。傳統(tǒng)MIMO天線的波束賦形就是用預(yù)編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，其中MIMO天線單元發(fā)送的信號不同，各個天線陣元的間距也大于相干距離，甚至可以認(rèn)為陣元彼此獨(dú)立。實(shí)現(xiàn)MIMO波束賦形的經(jīng)典算法主要是ZF算法和塊對角化（BD）算法，所以多用戶下的MIMO波束賦形主要是用來實(shí)現(xiàn)空分多址。顯然，傳統(tǒng)MIMO陣列的波束賦形效果有限，雖然可以實(shí)現(xiàn)雙流多用戶波束賦形，但僅可用于兩個用戶，且波瓣角度較大、波瓣扇面較寬、波束功率密度較低和波束傳輸距離較小，無法適應(yīng)5G需求。

2.4有源天線陣列技術(shù)

有源集成天線是由有源輻射功放集成電路與天線振子或微帶帖片等輻射單元集成在一起形成的，因而是一個既可產(chǎn)生射頻功率，又可直接輻射電磁波的天線模塊。有源集成天線陣列是由多個有源集成天線單元組合形成的。在有源集成天線陣列中，由于每個單元的輻射功率是由輻射單元源產(chǎn)生的，既可以省去復(fù)雜的功率分配網(wǎng)絡(luò)，又可減少額外功率的損耗，還能降低輻射單元的輸出功率。另外，雖然每個有源天線單元的輻射功率有限，但利用空間功率合成就可以獲得大功率輻射。其三，由于集成電路中的耦合振蕩器具有非線性動態(tài)特性，可以控制每個有源天線單元的相位分布，方便實(shí)現(xiàn)空間波束反描構(gòu)成相控陣列，產(chǎn)生高功率密度的波束賦形。最后，因?yàn)榘雽?dǎo)體集成器件具有良好的可靠性和直流、射頻轉(zhuǎn)換效率，適合多自由度架構(gòu)的平面或立體有源集成天線陣列。

有源天線陣列可直接在天饋部分實(shí)現(xiàn)電磁波產(chǎn)生、變換、發(fā)射和接收等系統(tǒng)功能，天線不僅是輻射單元，還是有源電路的組成部分，雙方不再是簡單的級聯(lián)，而是互為對方電路的部分，減少了中間元器件，減少了饋線連接和連接節(jié)點(diǎn)，在設(shè)計上天線和有源電路是一個有機(jī)整體，一個功耗和損耗都小、波束成形輻射效率更高、更便于維護(hù)和管理的集成電路。傳統(tǒng)的MIMO天線因其陣元數(shù)不超過8個、載波波長較長，需偏重考慮天線的空間復(fù)用和空間分集等應(yīng)用效果，所以各天線陣元布局的空間較大，各陣元輻射的電磁波幾乎無關(guān)，只能通過預(yù)編碼方式實(shí)現(xiàn)性能較差的波束賦形，因而沒有必要、也沒有條件設(shè)計和應(yīng)用有源集成天線，更談不上采用有源天線陣列，所以傳統(tǒng)的有源天線陣列技術(shù)主要應(yīng)用在軍事相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，迄今為止也沒有應(yīng)用于移動通信。

傳統(tǒng)MIMO天線在移動通信中的應(yīng)用，起始于3G，普及于4G，需同時考慮空間復(fù)用、空間分集和波束賦形等多天線應(yīng)用，然而畢竟先天不足，空間復(fù)用和波束賦形方式只有單流波束賦形和雙流波束賦形的選擇。在多用戶MIMO波束賦形系統(tǒng)中，在同一空域條件下，一個時頻資源塊只能調(diào)度給一個信道條件好的用戶，不能充分利用MIMO系統(tǒng)的空間自由度，因?yàn)榘l(fā)射端每次調(diào)度時，先隨機(jī)產(chǎn)生多個波束，然后再把各個波束分配給信道條件匹配的多個用戶，這樣才可以同時獲得多用戶分集增益和空間復(fù)用增益。在隨機(jī)正交波束空分多址技術(shù)中，MIMO產(chǎn)生承載多個用戶數(shù)據(jù)的多個波束時，要求波束之間相互正交，隨著用戶數(shù)的不斷增長，雖然能夠逐漸地達(dá)到多天線系統(tǒng)廣播信道容量的增長速度，但當(dāng)用戶數(shù)目有限時，該方案的性能會急劇下降。傳統(tǒng)MIMO天線的顧此失彼，應(yīng)用性能當(dāng)然有限。

2.5傳統(tǒng)MIMO天線應(yīng)用分析

空間復(fù)用支持無線信道兩端由MIMO天線組成的多組信道傳輸不同信號，從而可以使信息承載和用戶多址從時分、頻分到空分，極大地擴(kuò)展了無線傳輸信道的應(yīng)用領(lǐng)域。空間復(fù)用雖然對無線傳輸?shù)目煽啃詻]有什么幫助，但卻可以極大地提高傳輸頻譜利用率，極大地提高無線傳輸容量；空間分集支持無線信道兩端由MIMO天線組成的多組信道傳輸相同信號，從而可使發(fā)射端的發(fā)射信號盡可能的被接收端識別，使發(fā)射端有效地降低發(fā)射功率、接收端有效地降低靈敏度，有效地降低發(fā)射端和接收端的技術(shù)難度和制造成本。空間分集雖然對數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用率沒有貢獻(xiàn)，但卻可以極大地提高無線傳輸?shù)目煽啃?，改善無線傳輸?shù)馁|(zhì)量；波束賦形支持MIMO發(fā)射天線可以根據(jù)系統(tǒng)需求約束發(fā)射信號的波瓣寬度和波瓣方位角，使輻射信號以高功率密度、自動避開干擾、準(zhǔn)確地與有用終端通信。波束賦形雖然不能提高傳輸容量，但卻可以提高無線傳輸?shù)目煽啃院蛡鬏斮|(zhì)量。

空間復(fù)用和空間分集在技術(shù)方面要求MIMO天線振子的間距越大越好，即要求MIMO天線的每個振子發(fā)射的信號具有獨(dú)立性和無關(guān)性，這實(shí)際上很難做到，因?yàn)镸IIMO天線還有其他要求，所以振子的間距多采用1/4波長的奇數(shù)倍，或十個波長以上；波束賦形要求MIMO天線中的每個振子發(fā)射的信號具有相長相消的相干性，要求所有振子的間距滿足相干性條件，即所有發(fā)射相同信號的振子的間距只能是半個波長或半個波長的整數(shù)倍。顯然，要想MIMO天線同時支持空間復(fù)用、空間分集和波束賦形，理論上是無法做到的。正因如此，傳統(tǒng)MIMO天線只能彼此兼顧，這樣就大大削弱了MIMO天線支持空間復(fù)用、空間分集和波束賦形的效果。

3　面向5G的有源大規(guī)模MIMO天線研究

根據(jù)《5G愿景與需求白皮書》描述，5G支持的廣域覆蓋場景將為用戶提供高達(dá)10Mbit/s的體驗(yàn)速率，支持熱點(diǎn)區(qū)域的數(shù)據(jù)流量密度可達(dá)10Gbit/s體驗(yàn)速率和10Tbit/km2數(shù)據(jù)密度。傳統(tǒng)MIMO天線，不僅天線數(shù)量少，控制能力差，其空間復(fù)用、空間分集和波束賦形等功能的低性能和側(cè)重性應(yīng)用，也為5G系統(tǒng)所不能接受。為此，我們專門設(shè)計了一款面向5G的有源大規(guī)模MIMO天線，該天線不僅在天線振子數(shù)量方面遠(yuǎn)超傳統(tǒng)MIMO天線，以有源陣列模塊為天線組織單元的新穎結(jié)構(gòu)，完全可以同時高效地完成空間復(fù)用、空間分集和波束賦形功能。

3.1有源大規(guī)模MIMO天線結(jié)構(gòu)

圖1所示為一款專門為5G設(shè)計的有源大規(guī)模MIMO天線的結(jié)構(gòu)圖，該天線設(shè)計的中心思想是，以有源陣列模塊為天線組織的基本單元來組建MIMO天線，其中有源陣列模塊是由n×m或n×m×q個有源集成天線單元組成的二維或三維，具有專用、獨(dú)立、可插拔的集成器件，其中各陣元振子間的距離分別為a、b或a、b、c，一般取半個波長的整數(shù)倍。有源大規(guī)模MIMO天線則是由N×M個有源陣列模塊組成，且各模塊間的距離分為A、B，一般?。?0+1/4）波長。

有源陣列模塊是有源大規(guī)模MIMO天線實(shí)現(xiàn)波束賦形的專用單元，天線振子布局可以是二維陣列，也可以是三維陣列，為了使波束賦形具有一定的獨(dú)立性，也為了提高波束賦形的快速反映，將包括輻射功放、耦合振蕩、相控陣元和插拔接口等電路元器件，甚至是波束賦形算法芯片都直接集成到陣列振元上，從而使其成為方便擴(kuò)容、維護(hù)和優(yōu)化的獨(dú)立的可插拔器件。也就是說，波束賦形的功能完全可以由有源陣列模塊獨(dú)立執(zhí)行，天線系統(tǒng)只需為其提供目標(biāo)終端的波達(dá)方向參數(shù)即可。由于有源陣列模塊中陣元的幾何位置可以按照波束賦形的理論定位，無需采用預(yù)編碼和其他補(bǔ)償技術(shù)，又由于基于波束賦形的陣元權(quán)值算法比較簡單，可以固化集成，既可降低模塊的技術(shù)度，又可減少消耗系統(tǒng)資源的軟件操作，所以有源陣列模塊可以快速執(zhí)行波束賦形功能。

圖1　有源大規(guī)模MIMO天線結(jié)構(gòu)簡圖

有源大規(guī)模MIMO天線在執(zhí)行空間復(fù)用和空間分集功能時，是以有源陣列模塊為輻射單元進(jìn)行的，可以將有源大規(guī)模MIMO天線等效為傳統(tǒng)MIMO天線，使得有源大規(guī)模MIMO天線在執(zhí)行空間復(fù)用和空間分集功能時，借鑒、參考，甚至是照搬部分傳統(tǒng)MIMO天線的成熟技術(shù)。由于有源陣列模塊被設(shè)計為一種對其他功能沒有任何影響的可獨(dú)立執(zhí)行波束賦形功能的可插拔器件，各模塊在空間上具有不相干性，保證各自發(fā)射信道是具有獨(dú)立衰落的不相關(guān)信道，非常方便運(yùn)營商根據(jù)熱點(diǎn)小區(qū)、或密集小區(qū)的業(yè)務(wù)需求，隨時隨地靈活增加或減少有源陣列模塊，調(diào)整MIMO天線的空間復(fù)用和空間分集應(yīng)用，滿足數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的通信要求。

3.2有源陣列模塊的技術(shù)分析

因?yàn)橛性创笠?guī)模MIMO天線是以有源陣列模塊為輻射單元，而輻射單元分布在MIMO天線上的不同位置，所以輻射單元對目標(biāo)用戶處產(chǎn)生的波束賦形與輻射單元的位置有關(guān)。為了使輻射單元真正成為一個獨(dú)立的即插即用的可插拔模板，可以給MIMO天線中安裝輻射單元的位置設(shè)置一個位置標(biāo)志，如圖2所示，在8個單元的MIMO天線上各輻射單元的位置分別為1～8。當(dāng)輻射單元模塊插入到位置2時，天線系統(tǒng)就能自動識別，并按照位置2來計算輻射單元的波束賦形對準(zhǔn)用戶終端。有源大規(guī)模MIMO天線的最大不同，就是作為輻射單元的有源陣列模塊的設(shè)計與應(yīng)用，若以有源陣列模塊為輻射單元，則天線的空間復(fù)用和空間分集等基本功能與傳統(tǒng)MIMO天線就沒有多少差別，所以只需重點(diǎn)研究有源陣列模塊是怎樣根據(jù)終端的波達(dá)方向產(chǎn)生的波束賦形。

圖2　有源大規(guī)模MIMO天線的波束賦形

設(shè)在8個輻射單元的二維MIMO天線中，各輻射單元間X軸的間距為A，Y軸的間距為B，X軸有N個輻射單元，Y軸有M個輻射單元。設(shè)作為輻射單元的有源陣列模塊是由n×m×q個陣元振子組成的三維陣列，x軸陣元間距為a，y軸陣元間距為b，z軸陣元間距為c，x軸有n個陣元，y軸有m個陣元，z軸有q個陣元。設(shè)有移動終端位于MIMO天線正面P（R，θ，φ）處，其中R、θ、φ分別為P點(diǎn)的球坐標(biāo)，若以Z軸為MIMO天線平面法線，則θ是輻射單元的下傾角，φ是輻射單元的方位角，R為MIIMO天線中心坐標(biāo)原點(diǎn)至P點(diǎn)的距離。據(jù)些，可研究MIMO天線中某個輻射單元中的陣元振子d（i，j，k）對P（R，θ，φ）處終端的波束成形，如圖2所示。

設(shè)以MIMO天線坐標(biāo)XYZ為參考，在第（I，J）處的輻射單元中的第（i、j、z）處的陣元振子d（i，j，k）對終端P （R，θ，φ）處的距離r（i，j，k）可表示為：

由于r>>IA、r>>ia、r>>JB、r>>jb、r>>kq，利用一階泰勒展開，（1）式開方后可簡化為：

所以，位于P（R，θ，φ）的終端接收第（I，J）個輻射單元中第d（i，j，k）個陣元振子的信號時，相對于MIMO天線中心處的相位差為：

終端收到來自第（I，J）個輻射單元中陣元振子d（i，j，k）輻射的發(fā)送信號可表示為：

設(shè)MIMO天線的第（I，J）個輻射單元中第d（i，j，k）個陣元振子的陣列權(quán)函數(shù)為w（I，J，，i，j，k），則位于P（R，θ，φ）終端收到第（I，J）個輻射單元的接收信號可表示為：

最后得到MIMO天線第（I，J）個輻射單元的方向圖函數(shù)：

根據(jù)通信理論，得到第（I，J）個輻射單元對準(zhǔn)目標(biāo)方位角（θ0，φ0）的方向圖函數(shù)：

顯然，只要有終端波達(dá)方向的目標(biāo)方位角（θ0，φ0），就可以得到對準(zhǔn)目標(biāo)的波束賦形函數(shù)。

設(shè)通信載波主頻率f=30GHz，則波長λ=1cm；設(shè)MIMO天線中的輻射單元數(shù)為N=2，M=4；設(shè)輻射單元中的陣元數(shù)為n=4，m=4，q=2。則有源大規(guī)模MIMO天線中的陣元總數(shù)為256。為了保證輻射單元的獨(dú)立性，取A=B=10.25λ；為保證陣元的相干性，取a=b=c=λ/2。設(shè)有源大規(guī)模MIMO天線覆蓋小區(qū)內(nèi)有8個用戶，分別對應(yīng)8個輻射單元，對應(yīng)的目標(biāo)下傾角全為60°，方位角分別為10°、20°、30°、40°、50°，60°，70°和80°，或者對應(yīng)的目標(biāo)方位角全為45°，下傾角分別為10°、20°、30°、40°、50°，60°，70°和80°。取權(quán)值w0（I，J，，i，j，k）=1，根據(jù)公式（7），用MATLAB分析有源大規(guī)模MIMO天線各輻射單元對應(yīng)各用戶的波束賦形的方向圖，具體如圖3所示。

從圖3可看出，雖然各終端間的方位角和下傾角只有10°之差，但賦形波束已經(jīng)清晰地將其分開，也就是說，在MIMO天線中的各輻射單元發(fā)射的波束從空間位置上是完全獨(dú)立的，加之各天線塊間的距離都在波長的10倍以上，每個輻射單元的場強(qiáng)影響可以忽略，所以各輻射單元形成的賦形波束也是獨(dú)立的。至于各輻射單元間的分集增益與復(fù)用增益，則完全取決于每個輻射單元對同一用戶信號的空時編碼。

公式（7）表明，權(quán)值w0的意義是賦形波束的傳輸長度，該權(quán)值甚至可以只對輻射單元取值。波達(dá)方向角（θ0，φ0）實(shí)際上是目的終端的下傾角和方位角。所以，系統(tǒng)若能從波達(dá)方向值中獲得目標(biāo)終端距基站的距離、下傾角和方位角值，直接將其輸入作為輻射單元的有源陣列模塊，就可以使輻射單元產(chǎn)生對準(zhǔn)目標(biāo)終端的賦形波束。由此可見，有源大規(guī)模MIMO天線的母件，在波束賦形應(yīng)用方面的設(shè)計可以做得非常簡單。

圖3　8個獨(dú)立天線對應(yīng)陣列的水平與垂直波束賦形

4　結(jié)束語

有源大規(guī)模MIMO天線因?yàn)檩椛鋯卧且粋€專用有源陣列模塊，使MIMO天線的波束賦形可以與空間復(fù)用和空間分集等功能完全分開，在互不影響的前提下，同時獨(dú)立完成。尤其是有源陣列模塊采用了相控陣技術(shù)，只需要了解移動目標(biāo)的距離、下傾角和方位角，就能快速產(chǎn)生對準(zhǔn)目標(biāo)的賦形波束，不僅可以提高有源陣列模塊實(shí)現(xiàn)波束賦形的效率和速率，還能簡化有源陣列模塊作為獨(dú)立插拔元器件的設(shè)計。

另外，當(dāng)以有源陣列模塊作為獨(dú)立的輻射單元時，有源大規(guī)模MIMO天線就等效于傳統(tǒng)的MIMO天線，這樣作為傳統(tǒng)MIMO天線基本應(yīng)用的空間復(fù)用和空間分集技術(shù)，就完全可以部分借鑒到有源大規(guī)模MIMO天線中，不僅可以降低有源大規(guī)模MIMO天線的研發(fā)成本，還能加快研發(fā)速度，甚至可以方便引進(jìn)其他高新技術(shù)來改善和優(yōu)化系統(tǒng)，使其更加適合5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

只需目標(biāo)終端的DOA基本數(shù)據(jù)，波束賦形功能就可以由有源陣列模塊獨(dú)自完成，所以有源陣列模塊具有的獨(dú)立性和可插拔性，極大地方便了運(yùn)營商對小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)、管理與優(yōu)化。

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2016-06-28）