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5G多天线技术
NTT DOCOMO正在研究和开发第五代移动通信系统（5G），以实现超高速，超高容量无线通信服务的远景。在5G中，目的是通过使用高于现有频带的频带来扩宽传输信号的带宽。然而，随着高频带中无线电传播损耗的增加，必须通过使用块状天线作为5G多天线技术自适应地控制天线方向性来补偿该损耗。本文介绍了5G多天线技术，并讨论了超过10 Gbps的超高比特率的可行性。
1.简介
NTT DOCOMO正在研究和开发针对超高速，超高容量无线通信服务提供的“5G”。5G背后的想法是通过使用高于现有频带的频率频带和扩大信号带宽来增加传输任务比特率。然而，随着无线电传播损耗在高频率下增加，作为5G多天线技术，由100多个天线单元组成的大规模天线的应用已经在研究中。大规模元件天线的应用使得可以通过自适应地控制天线方向性来补偿无线电传播损耗，并通过信号的空间复用来增加比特率。在本文中，我们首先描述大块天线的操作和效果， NTT DOCOMO通过技术研究和传输实验在全球范围内推广该大块天线。然后，我们描述了在高频段应用大规模元件天线的技术问题以及NTT DOCOMO在解决这些问题方面所做的努力。接下来，我们介绍使用大规模天线的计算机模拟结果，并讨论超高速通信的可行性。
2. 大规模天线的操作和效果
2.1通过幻影单元引入大量元素天线
1）通过幻影单元条带进行C / U分离
图1所示的Phantom单元概念已被提出作为基本的5G架构。这里，传统的单元宏单元包含覆盖配置中的小单元（或准宏单元）的多个实例。在该方案中，宏小区使用现有系统采用的超高频（UHF）频带（0.3-3 GHz），而覆盖小区使用更高频带，即低超高频（SHF）频带（3-6 GHz），高SHF频段（6-30 GHz）和极高频（EHF）频段（30-300 GHz）。该方案还建立了控制平面（C平面）的连接链路，该连接链路通过宏小区处理控制信号，并且专门为用户提供连接链路。当宏小区使用UHF频带维持服务区域时，覆盖小区扩大信号带宽并使用高频率实现超高比特率。
2）在高频带通信中引入大规模元件天线的介绍
实现高于10 Gbps的超高比特率需要几百MHz的带宽。为此，我们已经研究了高频带的使用，但众所周知，无线电传播损耗在较高的频率下会增加。这个问题可以通过在高频带单元中引入大规模元件天线来解决。在这种配置中，通过应用大规模元件天线来抑制无线电传播损耗，可以在高频带使用。大型元件天线的宏蜂窝辅助操作也是可行的。
2.2大规模元件天线的波束形成效应
1）大规模元件天线的波束形成
当使用具有均匀天线间距的平面天线阵列作为20 GHz频段中的质量元件天线时（图2），并且当将元件间距设置为波长的一半（7.5 mm）时，可以安装256个元件，每个元件的面积约12平方厘米。通常，对于相同的区域，当使用较高频带（较短波长）时，可以显着增加可以安装的元件的数量。通过控制发送（接收）的信号的幅度和相位，可以使用大型元素天线来生成尖锐波束（天线方向性）。该过程称为“波束形成”，其具有补偿无线电传播损耗的效果。
2）波束形成效应
所有天线单元的总传输功率为33 dBm时，3.5GHz,10GHz和20 GHz频段的波束形成效果如图3所示。具体而言，该图显示了每个频带的波束到达距离以及20,40和80平方厘米的大规模元素天线尺寸。在将这些结果与相同数量的元件进行比较时，可以看出，随着频率变高，到达的距离变得越来越短，但即使在20GHz，它也不会显着降低相同的天线尺寸。然而，虽然10 GHz频段的100（10times;10）电子天线的到达距离突然达到490 m，但在相同天线尺寸的情况下，需要超过400（20times;20）个元素才能达到相同的到达距离。换句话说，随着频率的增加，元件数量增加，成本也随之增加。因此，在大规模元件天线中找到降低这种成本的措施已成为5G多天线技术的一个问题。
2.3大规模天线中的用户多路复用和空间多路复用
1）大规模天线的大规模MIMO效应
使用大规模元件天线的多输入多输出（MIMO）传输称为“大规模MIMO”。如图4所示，适当控制大规模元件天线MIMO可以通过传播损耗补偿的通信区域来扩展通信，还可以通过用户多路复用同时连接多个用户来增加高频带小区的系统容量。大规模MIMO还可以通过多于一个数据流的空间多路复用来增加个体用户的通信比特率。然而，为了实现这些能力，在发射机中需要预编码处理以防止用户之间和流之间的干扰。此外，为了实现高精度记录，还需要传送无线电传播信道状态的信道状态信息（CSI）。因此在终端侧估计的CSI必须被反馈到基站。可以考虑将该CSI与通过基于时分双工（TDD）的信道互易性获得的CSI相结合的方法。
2）大规模MIMO的最佳操作
多MIMO中的天线元件用于波束成形和用户/空间复用，因此根据需要进行分配。然而，对于固定数量的天线元件，这意味着随着用户/空间复用数量的增加，波束形成效应将受到影响。因此，需要与CSI一致地以适当的方式操作大规模MIMO。此外，减少用户/空间复用数量（增加分配给波束形成的天线元件的数量）可以增强波束形成效果，同时还实现如下所示的水宏单元。以这种方式覆盖广阔的区域可以促进即使在郊区环境中建造有效的服务区域。
3.高频带技术问题
3.1高频段大规模MIMO的技术问题
如上所述，使用高频带对于显着提高5G中的系统容量和比特率至关重要。 然而，如下所述，在高频带中引入大规模MIMO并不需要解决一些技术问题。 假设使用大块元件天线尚未充分解释高频带中无线电传播路径的空间特性。此外，除了传播损耗之外，与低频带相比，高频带中由于结构和障碍导致的浑浊损失较大，因此必须考虑由持有移动电话的用户体引起的阴影效应。为了以低成本实现多MIMO设备，有必要在一个芯片上尽可能地使用例如硅互补金属氧化物来实现高频带射频（RF）电路和基带处理电路，例如半导体（CMOS）、集成电路（IC）。 然而，最近，即使是EHF带状硅CMOS也可以实现RF电路，因此在实现电路方面使用高频带的条件即将建立。虽然在高频带功率放大器中实现高增益在技术上是困难的，但多MIMO可以为每个天线集成一个功率放大器，从而大大降低每个功率放大器所需的传输功率。因此，实现高收益并不是一个问题。另一方面，频率合成器表现出相对较高的相位，因此在5G中，当设置诸如子载波间隔的无线电参数时，必须考虑这种效应。鉴于需要准备多个与电子天线元件数量相对应的RF电路，还需要对集成滤波器和天线进行研究。另一个问题是缩小设备需要高精度处理。大规模MIMO将需要用于高密度的制造和布线电路的技术，但是在诸如超高密度配置的天线和器件之间的相互耦合的影响可能很大。为了减少这种影响，需要进行校准，以使天线元件之间的特性相匹配。尽管阵列天线已经以自适应阵列天线和有源天线系统（AAS）的形式实现了几十个元素的组合，与过去相比，在高频段为了部署多个大型MIMO基站，在5G中需要大大降低成本。
3.2在低SHF频段内迈向大规模MIMO
1）分布式大规模MIMO
假设大规模MIMO使用大规模元件天线。在低SHF频段，将100多个天线单元集中在一个位置会等效为一个相当大的天线，如图3所示。用于避免这种大型天线的一种方法是分布式大规模 MIMO，其在多个位置处布置紧凑的低SHF频带多元天线，使得天线尺寸变得与高SHF频带质量元件天线的天线尺寸相当。
2）根据使用环境组合集中和分布式部署
在局部布置中的低SHF波段大规模MIMO的情况下，例如，在建筑物的屋顶上将安装大型元件天线，并且尖锐的光束将是从相对较高的位置向个人用户形成。相比之下，分布式大规模 MIMO从多个紧凑的多元素天线发射无线电信号，从而减轻了具有多个障碍的环境中的阴影效应。因此，就使用环境而言，我们可以考虑在郊区或相对较大的公共广场中使用本地化的大规模 MIMO，以及在商场或商业区使用分布式大规模MIMO。然而，实际上，必须通过集中式和分布式部署的灵活组合来构建服务区域，并且必须开发这样做的机制。
使用由128个元素组成的大型元件天线（图5）作为集中式大规模 MIMO的技术验证，进行了基本的传输实验。此外，作为分布式大规模 MIMO的技术验证，基本传输实验已经进行了实验。通过协调多点传输在高密度分布式部署中安装紧凑型多元天线。这些天线具有灵活的天线配置，如图6所示。
3.3在高SHF频段和EHF频段中迈向大规模MIMO
与低SHF频段相比，高SHF频段和EHF频段的大规模 MIMO具有宽带信号和更多天线元件。因此，在实现大规模MIMO的无线电设备的配置中需要节省成本的措施。
- 全数字大规模MIMO
使用正交频分复用（OFDM）的典型大规模MIMO发射机的配置如图7所示。该发送器需要数模转换器（DAC）和上变频。例如，它需要与天线单元的数字转换器（ADC）相同数量的DAC和分析器。类似地，由于执行反向快速傅里叶变换需要更宽的信号带宽，它还需要昂贵的并且消耗相应的基带处理电路，并且它还需要J变换（IFFT）并且附加循环质量元素。用于信号高性能操作的前缀（CP）的RF电路是困难的。
- 混合波束成形
波束成形意味着将波束定向在无线电信号辐射（到达）的方向上，因此可以考虑在整个波段上进行共同的波束成形，以便在一定程度的性能下降。在这种情况下，将所有子载波上的波束成形过程进行通信化将使得能够在IFFT处理之后移动到位置并且仅将数字预编码中的波束成形移动到时域。
为了实现低成本的大规模MIMO发射机，已经对混合波束成形配置进行了研究，该配置结合了数字预编码和模拟波束成形，如图8和图9所示。这种配置仅将全数字配置中的波束成形过程移动到时域，并将其替换为RF电路中可变移相器实现的编码波束成形。在这种混合波束成形配置中，只有射束数值的DAC需要预先准备上变频器，并且可以减少IFFT过程的数量。
这里可以考虑两种类型的混合波束形成：使用所有天线元件的全阵列类型，如图8所示。如图9所示，仅使用一些天线元件的子阵列类型。全阵列类型需要增加和更多可变的移相器，但其性能要高得多。
- 仅使用模拟波束成形进行配置
作为更简单的配置，还有一种仅使用模拟波束成形的方法。 在这种情况下，不需要数字预编码，因此可以简化波束形成电路。尽管有这个优点，如果通过这种模拟波束形成产生的窄波束不能相互正交，则不能减少波束间干扰。因此有必要减少梁的增加数量和增加天线单元的数量。通过传输实验证明了在高SHF频带和EHF频带中模拟波束形成的潜力。
- 混合波束形成的FBCP算法
为了在几百MHz的带宽下实现高于10 Gbps的超高比特率，将需要使用多个波束的流的空间复用。在这种情况下，可以从成本降低的角度考虑混合波束形成配置，并且已经提出了固定模拟波束形成和基于CSI的预编码（FBCP）作为用于实现这种混合波束形成的特定算法。该算法总结如下。
（1）通过角度固定的模拟波束成形对空间进行扫描，并按照终端接收功率最大的波束顺序选择L个波束候选者。
（2）使用模拟波束成形生成的选定波束发送参考信号，并在终端估计CSI。（3）将估计的CSI反馈给基站，使用该CSI执行数字预编码，并执行通信。
如上所述，通过所选择的光束传输参考信号而不是通过所有空间扫描光束候选者传输，可以最小化参考信号插入损耗。
4. 高SHF频段中大气MIMO的超高比特率的可行性
我们开始在高SHF带通计算机模拟中定量地阐明大规模MIMO的超高比特率的可行性。 在这些模拟中，我们将全数字大规模MIMO的特性与使用20 GHz频段的256元天线的两种混合波束形成的特性进行了比较。我们将FBCP算法应用于混合波束形成。
模拟条件列于表1中。这里，我们使接收天线元件的数量与用户相同，并将传输流的总数固定为16，这在多用户（MU）环境中的用户之间均匀分配。如图10所示，我们将用户直接放置在基站前面的单用户（SU）环境中，并且在MU环境（用户数量= 4）中，我们将用户定位在基站前面20°间隔。此外，对于表1中所示的调制方案和编码率，我们使用自适应调制和编码（AMC）来应用它们的组合。特别是，256正交幅度调制（256QAM）和编码率R = 3/4的组合使16流MIM空间复用的最大传输速率达到31.4 Gbps。
4.1全数字两种混合波束形成的比较
使用两种模拟波束成形配置的L = NT = 256全数字大规模MIMO和混合波束成形的吞吐量特性如图11所示。对于混合波束成形，我们将NU = 1和NU = 4用户数的选择波束数设置为L = 32。在NU = 4的情况下，为所有用户预先确定总吞吐量。
这些仿真结果表明，完整的数字大规模 MIMO和两种类型的混合波束形成可以实现大于20Gbps的吞吐量，平均信噪比（SNR）高于16 dB。此外，所有用户的总体吞吐量可以达到20Gbps，平均SNR低于NU = 1。这样做的原因是可以适当地减少MU环境中用户之间的干扰，从而可以使用到达多个用户的高强度无线电信号。此外，全阵列类型的模拟波束成形实现了优于子阵列类型的特征，这对于NU = 4尤其明显，其原因可以如下给出。用于在全阵列类型中形成一束的天线元件的数量多于在子阵列类型中导致远光束的天线元件的数量。因此，在MU环境中，用户间干扰的影响很小，并且对于相对较少数量的波束可以获得用户间干扰降低效果。
此外，对于NU = 1，全数字和全阵列类型的混合波束形成的特征几乎是等价的，这意味着混合波束形成可以实现吞吐量与全数字相比，同时保持
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