隨著高頻無(wú)線電傳播損耗的增加，須通過(guò)采用大規(guī)模陣列天線作為5G多天線技術(shù)，以達(dá)到自適應(yīng)控制天線方向性的目的來(lái)補(bǔ)償這種損耗。本文介紹了5G多天線技術(shù)，討論了10 Gbps以上超高速率的可行性。

一個(gè)傳統(tǒng)的宏蜂窩包含覆蓋配置中多個(gè)小蜂窩(或準(zhǔn)宏蜂窩)。在該方案中，宏蜂窩使用現(xiàn)有系統(tǒng)所采用的超高頻(UHF)頻帶(0.3～3 GHz)，而覆蓋小小區(qū)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(guò)宏蜂窩處理控制信號(hào)的控制平面(C平面)建立了連接鏈路，并為通過(guò)覆蓋單元(即C/U分離連接)處理用戶數(shù)據(jù)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(yè)務(wù)區(qū)域，覆蓋小區(qū)利用高頻頻段拓寬信號(hào)帶寬，實(shí)現(xiàn)超高比特率。

當(dāng)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(guī)模陣列天線時(shí)，且如果將陣元間距設(shè)置為波長(zhǎng)的一半(7.5毫米)時(shí)，可以將256個(gè)單元安裝在約12平方厘米的區(qū)域中。

對(duì)于相同的區(qū)域，當(dāng)使用更高的頻帶(更短的波長(zhǎng))時(shí)，可以安裝的單元數(shù)量會(huì)顯著增加。大規(guī)模陣列天線可以通過(guò)控制從每個(gè)單元發(fā)送(接收)信號(hào)的幅度和相位來(lái)產(chǎn)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(fā)射功率為33dbm時(shí)的波束形成效果。具體地說(shuō)，該圖顯示了這些頻段中的每一個(gè)頻段以及20、40和80平方厘米的大規(guī)模陣列天線的波束到達(dá)距離。

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

但是對(duì)于20 GHz天線，對(duì)于相同的天線尺寸，需要超過(guò)400(20×20)個(gè)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)大約相同的到達(dá)距離。換言之，隨著頻率的增加，元件的數(shù)量和成本都會(huì)增加。因此，在大規(guī)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(shù)中的一個(gè)問(wèn)題。

使用大規(guī)模陣列天線的多輸入多輸出(MIMO)傳輸稱為“大規(guī)模MIMO”。如圖所示，通過(guò)傳播損耗補(bǔ)償適當(dāng)?shù)乜刂拼笠?guī)模MIMO中的大規(guī)模陣列天線可以擴(kuò)展通信區(qū)域，并且還可以通過(guò)同時(shí)復(fù)用多個(gè)用戶的用戶復(fù)用來(lái)提高高頻帶小區(qū)的系統(tǒng)容量。大規(guī)模MIMO還可以通過(guò)一個(gè)以上數(shù)據(jù)流的空間復(fù)用來(lái)提高單個(gè)用戶的通信比特率。

為了實(shí)現(xiàn)這些能力，在發(fā)射機(jī)中需要通過(guò)預(yù)編碼處理來(lái)防止用戶之間和數(shù)據(jù)流之間的干擾。此外，為了實(shí)現(xiàn)高精度的預(yù)編碼，發(fā)射機(jī)中還需要傳送無(wú)線傳播信道狀態(tài)的信道狀態(tài)信息(CSI)，因此必須將在終端側(cè)估計(jì)的CSI反饋到基站。還可以考慮將該CSI與通過(guò)基于時(shí)分雙工(TDD)的信道互易性獲得的CSI相結(jié)合的方法。

下圖是采用正交頻分復(fù)用(OFDM)典型大規(guī)模MIMO發(fā)射機(jī)的配置。這種發(fā)射機(jī)需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和與發(fā)射機(jī)天線元件相同數(shù)量的上變頻器。類似地，它還要求基帶處理電路執(zhí)行逆快速傅里葉變換(IFFT)，并將循環(huán)前綴(CP)作為信號(hào)處理附加到信號(hào)上，其數(shù)目與發(fā)射機(jī)天線單元的數(shù)目完全相同。

這種配置中，在頻域中使用CSI的數(shù)字預(yù)編碼將成為可能，這在高性能處理中稱為“全數(shù)字大規(guī)模MIMO”。然而，在SHF高頻段和EHF波段實(shí)現(xiàn)全數(shù)字大規(guī)模MIMO并非沒有問(wèn)題。例如，它所要求的DAC和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的價(jià)格都很昂貴，并且由于信號(hào)帶寬較寬而消耗相對(duì)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(jìn)行高性能的處理。

波束形成是指將波束指向無(wú)線電信號(hào)輻射(到達(dá))的方向，因此在允許一定程度的性能降級(jí)后，可以考慮在整個(gè)頻帶上的總的波束形成。在這種情況下，對(duì)所有子載波上的波束形成過(guò)程進(jìn)行通用化，將會(huì)使波束形成在IFFT處理之后移動(dòng)到一個(gè)位置，并且只有數(shù)字預(yù)編碼中的波束形成移動(dòng)到時(shí)域狀態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)低成本的大規(guī)模MIMO發(fā)射機(jī)，已經(jīng)對(duì)混合波束形成配置進(jìn)行了研究，該混合波束形成配置將數(shù)字預(yù)編碼和模擬波束形成相結(jié)合，如圖所示。這種配置只將全數(shù)字配置中的波束形成過(guò)程移動(dòng)到時(shí)域進(jìn)行，并用射頻電路中由可變移相器實(shí)現(xiàn)的模擬波束形成來(lái)代替。在這種混合波束形成配置中，只需對(duì)DAC和上變頻器的波束數(shù)L值進(jìn)行預(yù)處理，就可以減少IFFT過(guò)程的數(shù)量。






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