5G MIMO陣列的混合波束形成

所有5G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將使用MIMO（海量輸入，海量輸出）天線陣列和波束成形。許多5G系統(tǒng)將以毫米波（毫米波）頻譜工作。設(shè)計(jì)以毫米波頻率工作的MIMO陣列由于多種原因而具有挑戰(zhàn)性。系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)將是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的最佳途徑。

毫米波信號(hào)具有困難的傳播條件和更大的路徑損耗。5G網(wǎng)絡(luò)需要在多用戶應(yīng)用中保持最大的系統(tǒng)靈活性。

如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中將從天線陣列到RF鏈到信號(hào)處理的每個(gè)子系統(tǒng)都調(diào)整為系統(tǒng)，那么滿足這些和其他系統(tǒng)級(jí)性能要求將更容易。

設(shè)計(jì)者有兩種選擇波束形成的方法，一種比另一種更實(shí)用。如果成本和功耗在5G系統(tǒng)中不受限制，則可以為每個(gè)MIMO陣列元素添加專用的接收和發(fā)射路徑。這種“全數(shù)字”波束形成架構(gòu)將從系統(tǒng)級(jí)角度提供最大的靈活性，以在大型多用戶場(chǎng)景中形成波束。

然而，成本和功耗受到限制，并且會(huì)留下混合波束形成 - “混合”，因?yàn)?a href="http://www.ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬移相器與數(shù)字電路集成在一起。而且，無(wú)論何時(shí)將數(shù)字和模擬集成在一起，這是另一個(gè)建議采用系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法的地方。


對(duì)混合波束成形的需求混合波束
成形設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是在RF和數(shù)字域之間適當(dāng)劃分的架構(gòu)。該設(shè)計(jì)還包括滿足改善基站和用戶設(shè)備（UE）之間的虛擬連接的設(shè)計(jì)目標(biāo)所需的預(yù)編碼權(quán)重和RF相移組。

從系統(tǒng)角度來(lái)看，平衡是為了找到RF和數(shù)字波束形成之間的最佳劃分。分區(qū)是可能的，工程師可以高效地構(gòu)建系統(tǒng)，而無(wú)需在MIMO陣列元件和發(fā)送/接收（T / R）信號(hào)鏈之間實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的映射。仍然可以實(shí)現(xiàn)足夠的靈活性以滿足多用戶場(chǎng)景。

移動(dòng)到毫米波頻率的優(yōu)點(diǎn)之一是天線元件尺寸隨波長(zhǎng)而變化。這種方法能夠以合理的物理尺寸實(shí)現(xiàn)大量元素。

權(quán)衡是每個(gè)元素的更多元素和更多RF連接增加了復(fù)雜性。陣列設(shè)計(jì)必須允許MIMO操作支持空間復(fù)用，從而實(shí)現(xiàn)更高的信道容量。這些因素都會(huì)增加復(fù)雜性，因?yàn)樾枰嗟?a target="_blank">硬件和控制。由于MIMO陣列中有大量的天線單元，因此設(shè)計(jì)也必須考慮到天線單元之間互耦的實(shí)際情況。

通過(guò)將多個(gè)陣列元素組合到子陣列模塊中來(lái)開(kāi)發(fā)混合波束形成設(shè)計(jì)。AT / R模塊專用于較大陣列內(nèi)的子陣列，因此系統(tǒng)中需要較少的T / R模塊。可以選擇元素的數(shù)量和每個(gè)子陣列中的位置，以確保在一系列轉(zhuǎn)向角度范圍內(nèi)滿足系統(tǒng)級(jí)性能。這種方法直接轉(zhuǎn)化為較少的系統(tǒng)硬件。

利用混合波束成形實(shí)現(xiàn)的MIMO陣列實(shí)現(xiàn)了一系列空間處理能力。信號(hào)處理算法包括到達(dá)方向估計(jì)，波束成形和空間復(fù)用都可以使最終應(yīng)用成為可能。這些算法還有助于表征基站和UE之間的信道。

對(duì)于混合波束形成設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)模型中包含全套系統(tǒng)組件以確保優(yōu)化的鏈路級(jí)系統(tǒng)性能也很重要。在系統(tǒng)制造之前了解設(shè)計(jì)選擇如何影響誤碼率（BER），頻譜效率和信道容量是至關(guān)重要的。選擇最有效的信號(hào)處理方式也很重要。為系統(tǒng)的每個(gè)部分建立模型使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更容易。可以在項(xiàng)目生命周期的最低成本點(diǎn)嘗試創(chuàng)意。

從架構(gòu)的角度來(lái)看，混合波束成形分區(qū)系統(tǒng)可以通過(guò)多種方式形成。圖1顯示了典型的高級(jí)配置。

圖1可能的分區(qū)策略。來(lái)源：The MathWorks

在圖2中，我們可以看到，在發(fā)送側(cè)，T / R開(kāi)關(guān)的數(shù)量，NTRF，小于N的天線元件的數(shù)量，小?。為了提供更大的靈活性，每個(gè)天線元件可以連接到一個(gè)或多個(gè)T / R模塊。另外，可以在每個(gè)T / R模塊和天線之間插入模擬移相器，以提供一些有限的轉(zhuǎn)向能力。

圖2RF和數(shù)字轉(zhuǎn)向的混合波束形成示例。來(lái)源：The MathWorks

接收端的配置類似，如圖2所示。該系統(tǒng)可以支持的最大數(shù)據(jù)流數(shù)NS是NTRF和NRRF中較小的一個(gè)。在這種配置中，不可能像在全數(shù)字情況下那樣對(duì)每個(gè)天線元件應(yīng)用數(shù)字權(quán)重。相反，數(shù)字權(quán)重只能應(yīng)用于每個(gè)RF鏈。在元件層面，信號(hào)由模擬移相器調(diào)整，這只會(huì)改變信號(hào)的相位。因此，預(yù)編碼和合并分兩個(gè)階段完成。由于這種方法在數(shù)字和模擬領(lǐng)域都進(jìn)行波束形成，因此被稱為混合波束形成。

5G MIMO陣列的開(kāi)發(fā)具有挑戰(zhàn)性，但所需的混合波束形成系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以在任何硬件構(gòu)建之前進(jìn)行建模。這種建模工作可以節(jié)省硬件成本，并節(jié)省設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中的時(shí)間。設(shè)計(jì)問(wèn)題可以在最早的階段被識(shí)別出來(lái)，在那里它們是最具成本效益的糾正方法。由此產(chǎn)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)級(jí)需求。