◆黄文超

(广东省电信规划设计院有限公司 广东 510630)

大规模MIMO天线设计及对5G系统的影响分析

◆黄文超

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随着社会的全面发展，大规模MIMO天线设计及对5G系统的影响分析十分关键。其不仅能够让天线的设计更加科学合理，还能让5G系统的稳定性得到全面的增强。本文主要针对大规模MIMO天线设计及对5G系统的影响进行分析，并提出了相应的优化措施。

大规模MIMO；天线设计；5G系统

0 引言

在互联网快速发展的今天，MIMO天线设计也有了更高的要求。为了能够让5G系统全面的应用到人们的生活之中，需要采用多种不同的方式，对其系统结构体系进行相应的优化。但在实际的应用过程中，其依旧会面临诸多的困境。所以，为了能够让5G系统的应用实效性得到增强，需要对MIMO天线设计进行及时的改进，最终达到良好的应用效果。

1 MIMO系统技术原理

随着天线分集以及空时处理技术的发展，MIMO无线通信技术诞生了。它具有天线分集以及智能天线技术的优越性，从广义上来说，它应当属于智能天线的范畴。MIMO技术的先进性主要在于它能够在不增加宽带以及发射功率的情况下，有效提高无线通信的速度以及质量，为人们的生活以及生产带来了极大的便利。这主要得以于它对无线传输以及信号处理技术的运用，此外它还有效的运用了无线信道的多径传播功能，这对于空间并行传播通道的建立起到了至关重要的作用。

其实无线信道多径传播具有非常多的优点以及特性，而MIMO技术正是巧妙并且恰当的运用了这些优点以及特性，从而有效提高了无线通信的质量以及效率。例如，在无线电通讯过程中，通常要想在发送端以及接收端同时采用多天线系统的话，一般只需要满足两个条件：其一是各天线的单元间距要保持在一定的长度范围内；其二是对于无线信道散射传播的多径分量的要求，其分量要足够的丰富方可。只有当这两个条件都满足之后，各对收发天线单元间的多径衰落才能够趋向于独立，当然这也是使一些具有相同频率、相同时间等特征的子信道趋向于相互正交条件。【1】

2 大规模MIMO天线设计方法

通过调查研究显示，大规模MIMO天线要想实现方向图正交性，就要从空间、角度以及极化等方面入手，而对于天线的设计也提出了相应的要求，主要可以概括为多分级、低相关、高增益以及高隔离等几个方面。还有一个值得注意的问题是，通常在MIMO系统的基站都会需要有大量的天线，但是实际的工程要求又对天线的整体体积提出了相应的要求，那就是天线的整体体积要适中，不能够过大，因此在实际的施工过程中要对天线的密度、间距等方面要进行严格的管控，否则会对传输信道以及信道容量产生极大的影响。【2】一般来说大规模天线的单元性能以及阵列性能都应该遵循以下几点：

（1）低相关性、高隔离以及高增益；

（2）多分级、多频段；

（3）保持适当的单元间距。

与常规天线不同的是，大规模MIMO天线对于校准网络也提出了相应的要求。校准网络能够有效帮助大规模MIMO天线获得波束调节的自由度，而且天线校准还能够为大规模MIMO天线系统的工作效率以及工作质量提供保障，当然最主要的目的是为了能够有效的保证发射信号以及接收信号在天线口实现叠加。

3 大规模MIMO天线对5G系统的影响

3.1 天线单元数量

MIMO系统的容量会随着接收机和发射机两侧的天线单元的最小数量呈线性增加趋势。当借手机或发射机具有越多的配置天线单元时，传输信道就具有越高的自由度，这样系统的数据传输速度就会增加。但是，当计算和硬件变得越来越复杂，信号处理的能源消耗越来越多时，在实际产生的系统中，天线单元的数量不能任意大。所以，在一个大规模的MIMO系统中，首先要解决的问题就是需要多少天线单元。【3】

根据研究结果显示，在低噪音的情况下，可以将额外基站的天线单元显著提高。当基站天线单元的数量大于100时，此时的速率趋于稳定，无关于信噪比。当不断增加基站天线单元时，需要保证速率基本恒定，作出仿真速率的测试。对于单天线用户同时接入的数量，其速率会随着基站天线单元的数量不断增加，但当基站天线单元的数量大到一定值时，其速率会趋于稳定状态。但一味的依靠大量的额外基站天线单元来使得系统容量提升是没有任何意义的。所以，对于一个大规模的MIMO系统所需要的基站天线单元数量完全取决于具体的情况。

3.2 TDD与FDD模式

在目前的5G系统中，其研究和试验样机通常与TDD系的大小相关，而信道的开销也与天线的数量有一定的关系。对于常规的MIMO系统，可以在基站侧获取相关的信道状态信息，之后可以在基站的后方对多用户预编码和上行多用户进行检测。在MIMO系统中，信道的频率资源或大致时间与发射天线的数量成正比关系，与接收天线数量无关。对于TDD系统，由于上下行传输使用的频率都一致，所以，只需要估计上行链路的信道，信道估计只与终端天线数量有关。对于FDD系统而言，上下行使用的频段不同，所以对于上下行的信道状态信息需要分别进行估计。【4】对于上行的信道，开销与TDD系统一致；对于下行的信道需要进行2个步骤：首先向基站中的所有用户发送导频符号，然后再根据用户所反馈的信息，对下行信道状态做出估计，再将信息传送给基站。传输下行导频符号所需的时间与基站侧的天线数量成正比。当基站的侧天线数量不断增长时，在FDD系统中的下行信道的估计策略则不能接受。例如：当假设信道的相干间隔达到1ms×100kHz时，这时能够足够100个符号进行传输。当基站侧当天线数量到达100时，可以断定信道的开销与天线的数量有关。

3.3 天线频段

工作频段是天线的关键参数，随着5G高频段研究的广泛开展，30 GHz或更高频段的毫米波通信备受关注。在整体的应用过程中，其需要采用多种不同的方式对其天线的设计进行全面的铺展。并对每一个频段的变化情况进行具体的侦测，从而让天线频段的应用效率得到全面性的增强。

4 结语

大规模MIMO天线设计及对5G系统的影响十分显著。在进行天线设计的过程中，其首先需要对天线设计的方法进行相应的数据分析。与此同时，还要采取多种不同的方式对其天线设计的整体的体系进行相应的规划。采用不同频段以及模式让无线单元量得到持续性的增强。最终达到良好的应用效果。

[1]奥丽亚．多用户大规模 MIM0系统中的检测技术研究[D]．大连海事大学，2016．

[2]邰双娇．大规模MIMO系统的天线选择技术研究[D]．大连海事大学，2016．

[3]巩赫赫．大规模 MIMO系统的干扰抑制合并技术研究[D]．大连海事大学，2016．

[4]于凯．5G移动通信系统中3D MIMO的波束形成[D]．大连海事大学，2016．