5G MIMO阵列的混合波束形成

所有5G系统网络将使用MIMO（海量输入，海量输出）天线阵列和波束成形。许多5G系统将以毫米波（毫米波）频谱工作。设计以毫米波频率工作的MIMO阵列由于多种原因而具有挑战性。系统级设计将是应对这些挑战的最佳途径。

毫米波信号具有困难的传播条件和更大的路径损耗。5G网络需要在多用户应用中保持最大的系统灵活性。

如果在设计过程中将从天线阵列到RF链到信号处理的每个子系统都调整为系统，那么满足这些和其他系统级性能要求将更容易。

设计者有两种选择波束形成的方法，一种比另一种更实用。如果成本和功耗在5G系统中不受限制，则可以为每个MIMO阵列元素添加专用的接收和发射路径。这种“全数字”波束形成架构将从系统级角度提供最大的灵活性，以在大型多用户场景中形成波束。

然而，成本和功耗受到限制，并且会留下混合波束形成 - “混合”，因为模拟移相器与数字电路集成在一起。而且，无论何时将数字和模拟集成在一起，这是另一个建议采用系统级设计方法的地方。


对混合波束成形的需求混合波束
成形设计的主要目标是在RF和数字域之间适当划分的架构。该设计还包括满足改善基站和用户设备（UE）之间的虚拟连接的设计目标所需的预编码权重和RF相移组。

从系统角度来看，平衡是为了找到RF和数字波束形成之间的最佳划分。分区是可能的，工程师可以高效地构建系统，而无需在MIMO阵列元件和发送/接收（T / R）信号链之间实现单独的映射。仍然可以实现足够的灵活性以满足多用户场景。

移动到毫米波频率的优点之一是天线元件尺寸随波长而变化。这种方法能够以合理的物理尺寸实现大量元素。

权衡是每个元素的更多元素和更多RF连接增加了复杂性。阵列设计必须允许MIMO操作支持空间复用，从而实现更高的信道容量。这些因素都会增加复杂性，因为需要更多的硬件和控制。由于MIMO阵列中有大量的天线单元，因此设计也必须考虑到天线单元之间互耦的实际情况。

通过将多个阵列元素组合到子阵列模块中来开发混合波束形成设计。AT / R模块专用于较大阵列内的子阵列，因此系统中需要较少的T / R模块。可以选择元素的数量和每个子阵列中的位置，以确保在一系列转向角度范围内满足系统级性能。这种方法直接转化为较少的系统硬件。

利用混合波束成形实现的MIMO阵列实现了一系列空间处理能力。信号处理算法包括到达方向估计，波束成形和空间复用都可以使最终应用成为可能。这些算法还有助于表征基站和UE之间的信道。

对于混合波束形成设计，在系统模型中包含全套系统组件以确保优化的链路级系统性能也很重要。在系统制造之前了解设计选择如何影响误码率（BER），频谱效率和信道容量是至关重要的。选择最有效的信号处理方式也很重要。为系统的每个部分建立模型使系统设计更容易。可以在项目生命周期的最低成本点尝试创意。

从架构的角度来看，混合波束成形分区系统可以通过多种方式形成。图1显示了典型的高级配置。
 

图1可能的分区策略。来源： The MathWorks

在图2中，我们可以看到，在发送侧，T / R开关的数量，N TRF，小于N的天线元件的数量，小Ť。为了提供更大的灵活性，每个天线元件可以连接到一个或多个T / R模块。另外，可以在每个T / R模块和天线之间插入模拟移相器，以提供一些有限的转向能力。
 

图2 RF和数字转向的混合波束形成示例。来源： The MathWorks

接收端的配置类似，如图2所示。该系统可以支持的最大数据流数N S是N TRF和N RRF中较小的一个。在这种配置中，不可能像在全数字情况下那样对每个天线元件应用数字权重。相反，数字权重只能应用于每个RF链。在元件层面，信号由模拟移相器调整，这只会改变信号的相位。因此，预编码和合并分两个阶段完成。由于这种方法在数字和模拟领域都进行波束形成，因此被称为混合波束形成。

5G MIMO阵列的开发具有挑战性，但所需的混合波束形成系统设计可以在任何硬件构建之前进行建模。这种建模工作可以节省硬件成本，并节省设计和开发过程中的时间。设计问题可以在最早的阶段被识别出来，在那里它们是最具成本效益的纠正方法。由此产生的系统设计可以实现完整的系统级需求。