隨著高頻無線電傳播損耗的增加，須通過采用大規模陣列天線作為5G多天線技術，以達到自適應控制天線方向性的目的來補償這種損耗。本文介紹了5G多天線技術，討論了10 Gbps以上超高速率的可行性。

一個傳統的宏蜂窩包含覆蓋配置中多個小蜂窩(或準宏蜂窩)。在該方案中，宏蜂窩使用現有系統所采用的超高頻(UHF)頻帶(0.3～3 GHz)，而覆蓋小小區使用更高的頻帶，即低超高頻(SHF)頻帶(3～6 GHz)、高SHF頻帶(6～30 GHz)和甚高頻(EHF)頻帶(30～300 GHz)。

該方案還為通過宏蜂窩處理控制信號的控制平面(C平面)建立了連接鏈路，并為通過覆蓋單元(即C/U分離連接)處理用戶數據的用戶平面(U平面)專門建立了連接鏈路。宏蜂窩利用UHF頻段維持業務區域，覆蓋小區利用高頻頻段拓寬信號帶寬，實現超高比特率。

當使用具有均勻間距的扁平天線陣列作為20 GHz頻段中的大規模陣列天線時，且如果將陣元間距設置為波長的一半(7.5毫米)時，可以將256個單元安裝在約12平方厘米的區域中。

對于相同的區域，當使用更高的頻帶(更短的波長)時，可以安裝的單元數量會顯著增加。大規模陣列天線可以通過控制從每個單元發送(接收)信號的幅度和相位來產生窄的波束(天線方向性)。

上圖顯示了在3.5GHz、10GHz和20GHz波段中，所有天線單元的總發射功率為33dbm時的波束形成效果。具體地說，該圖顯示了這些頻段中的每一個頻段以及20、40和80平方厘米的大規模陣列天線的波束到達距離。

通過對相同單元數的這些結果的比較，可以看出：到達距離隨著頻率的升高而變短，但是即使在20 GHz的情況下，對于相同的天線尺寸，到達距離也不會顯著減小。然而，雖然對于10 GHz頻段中的100(10×10)單元天線，到達距離跳到490 m。

但是對于20 GHz天線，對于相同的天線尺寸，需要超過400(20×20)個單元來實現大約相同的到達距離。換言之，隨著頻率的增加，元件的數量和成本都會增加。因此，在大規模陣列天線中尋找降低此類成本的措施已成為5G多天線技術中的一個問題。

使用大規模陣列天線的多輸入多輸出(MIMO)傳輸稱為“大規模MIMO”。如圖所示，通過傳播損耗補償適當地控制大規模MIMO中的大規模陣列天線可以擴展通信區域，并且還可以通過同時復用多個用戶的用戶復用來提高高頻帶小區的系統容量。大規模MIMO還可以通過一個以上數據流的空間復用來提高單個用戶的通信比特率。

為了實現這些能力，在發射機中需要通過預編碼處理來防止用戶之間和數據流之間的干擾。此外，為了實現高精度的預編碼，發射機中還需要傳送無線傳播信道狀態的信道狀態信息(CSI)，因此必須將在終端側估計的CSI反饋到基站。還可以考慮將該CSI與通過基于時分雙工(TDD)的信道互易性獲得的CSI相結合的方法。

下圖是采用正交頻分復用(OFDM)典型大規模MIMO發射機的配置。這種發射機需要數模轉換器(DAC)和與發射機天線元件相同數量的上變頻器。類似地，它還要求基帶處理電路執行逆快速傅里葉變換(IFFT)，并將循環前綴(CP)作為信號處理附加到信號上，其數目與發射機天線單元的數目完全相同。

這種配置中，在頻域中使用CSI的數字預編碼將成為可能，這在高性能處理中稱為“全數字大規模MIMO”。然而，在SHF高頻段和EHF波段實現全數字大規模MIMO并非沒有問題。例如，它所要求的DAC和模數轉換器(ADC)的價格都很昂貴，并且由于信號帶寬較寬而消耗相對較多的功率，而且它還需要大量的單元射頻電路，因此難以進行高性能的處理。

波束形成是指將波束指向無線電信號輻射(到達)的方向，因此在允許一定程度的性能降級后，可以考慮在整個頻帶上的總的波束形成。在這種情況下，對所有子載波上的波束形成過程進行通用化，將會使波束形成在IFFT處理之后移動到一個位置，并且只有數字預編碼中的波束形成移動到時域狀態。

為了實現低成本的大規模MIMO發射機，已經對混合波束形成配置進行了研究，該混合波束形成配置將數字預編碼和模擬波束形成相結合，如圖所示。這種配置只將全數字配置中的波束形成過程移動到時域進行，并用射頻電路中由可變移相器實現的模擬波束形成來代替。在這種混合波束形成配置中，只需對DAC和上變頻器的波束數L值進行預處理，就可以減少IFFT過程的數量。






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