5G通信中MIMO和波束赋形技术背后的高层次设计原则

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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。
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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：
* P, X8 ]1 I4 ~9 N) j* U1 f-通过使用高增益自适应波束赋形增强覆盖
; D/ ~; H3 P; k6 D0 h& i-通过使用高阶空间复用增强容量
3 K8 M! ?+ S  K* B) A1 x" I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。
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Terran

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dragongfly

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