5G MIMO波束赋型介绍

Posted 2021-10-31 格格巫 MMQ!!

理解5G中massive MIMO大规模天线首先需要了解波束成形技术。传统通信方式是基站与手机间单天线到单天线的电磁波传播，而在波束成形技术中，基站端拥有多根天线，可以自动调节各个天线发射信号的相位，使其在手机接收点形成电磁波的叠加，从而达到提高接收信号强度的目的。
从基站方面看，这种利用数字信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线方向图的构造，因此称为”波束成形” (Beamforming)。通过这一技术，发射能量可以汇集到用户所在位置，而不向其他方向扩散，并且基站可以通过监测用户的信号，对其进行实时跟踪，使最佳发射方向跟随用户的移动，保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。
自适应智能天线系统使用多个天线单元以及智能信号处理，来定位和跟踪各种类型的信号，动态地减少干扰，并最大化有用信号接收。
信号处理器动态地对自适应天线系统的每个单元进行加权以实时创建阵列方向图，主波束指向用户正在服务的方向，即有用的信号。也可以使用自适应算法，以减少小区所受的干扰。这些算法基于最小均方误差法等优化方法。
在一个相控阵中，输入信号在所有天线单元之间被分开，在传输之前它被乘以一个复数权重。如图1所示，这个权重包含一个幅度和一个相位，它们被加到发射信号上。

图1： 线性相控阵

我们假定UE离天线阵足够远以至波前被认为是平坦的。

在图1中，在天线阵列由五个天线单元组成的距离分开 的情况下，很显然，对于每个天线单元，信号在到达基站之前必须行进的距离（在上行链路中，反之亦然，在下行链路中）是不同的，并且该距离取决于到达角度θ。

在两个连续的天线单元之间，这个额外的距离产生一个时间延迟，可以表示为：

其中c是光速。

由于这个时间延迟，所有天线单元发射的信号到达终端异相，如图2所示。

图2： 线性相控阵 - 无波束成形

然而，可以定义一组权重，其中振幅是恒定的，并且只有相位在所有天线单元上不同，使得信号同相到达UE，如图3所示。所有天线单元发射的信号在接收器上正向相加，以提供更好的接收水平。

图3： 线性相控阵 - 最佳波束成形

此外，还可以定义一组权重，其中振幅是恒定的并且只有相位在所有天线元件上是不同的，使得由所有天线单元发射的信号在接收器处相消地相加并相互抵消，如图4所示。这对于消除从特定方向（在上行链路中）接收到的干扰或向特定方向（在下行链路中）发送的干扰非常有用。

图4： 线性相控阵 - 干扰消除

波束成形天线模型由以下参数确定：

天线单元的数量N
天线单元之间的距离
每个天线单元的辐射方向图
用于广播和信令信道传输的天线广播方向图不受益于波束成形增益。