大规模天线的基本原理

RF/无线

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描述

  (1)当基站侧天线数远大于用户天线数时,基站到各个用户的信道将趋于正交。

  (2)用户间干扰将趋于消失,而巨大的阵列增益将能够有效地提升每个用户的信噪比,从而能够在相同的时频资源共同调度更多用户。

  具体来说,大规模MIMO技术依赖于基站侧所有天线的相位相干和计算简化的信号处理。相比4G系统MIMO,5G大规模MIMO可以提升至少10倍的信道容量,同时可以提高近100倍的辐射能量效率。容量的提升得益于大规模MIMO的高效空分复用。由于采用了大量的天线阵元,辐射能量根据波的相干叠加特性,高度集中在一个空间内的很小区域,使得辐射能量效率大幅提升。通过对发射信号的“赋形”,基站端可以确保所有的波前端叠加后共同辐射到期望终端,而不是无目的(随机)地辐射到其它地方。如图1所示,大规模MIMO提供了更强的定向能力和赋形能力,这种能力既能增加了系统容量,又能增强小区覆盖和网络的抗干扰能。

  天线

  在大规模MIMO系统中,基站配置大量的天线数目通常有几十、几百甚至几千根,是现有MIMO系统天线数目的1~2个数量级以上,而基站所服务的用户设备(User Equipment,UE)数目远少于基站天线数目;基站利用同一个时频资源同时服务若干个UE,充分发掘系统的空间自由度。从而增强了基站同时接收和发送多路不同信号的能力,大大提高了频谱利用率、数据传输的稳定性和可靠性。图2所示,大规模MIMO天线在空间形成很多通道,如果对这些空间信道进行科学合理的处理与应用,就可以利用相同的时频资源同时传输多路甚至上百路的数据,从而极大的提高了小区吞吐量和资源利用率。

  天线

  大规模MIMO天线信道容量的本质就等效于多个正交并行子信道,因此大规模MIMO天线主要就是对空间信道进行分析处理。根据信道处理得到大规模MIMO天线容量:

  天线

  大规模MIMO天线空间信道经过信道处理信号处理后,分别会得到如图4所示的大规模MIMO天线的阵列增益、抗衰落的分集增益、抗干扰的赋形增益和提升容量的空间复用增益。

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