5G中波束是怎么赋形的？.docx

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1、5G中波束是怎么赋形的？#5G#Bcamforming#MassMIMO与4G无线网络相比，5G网络的性能发生了的阶跃式变化，峰值数据速率高达20GB/s的20倍，每平方公里设备连接密度是4G的100倍。这种由5G(NR)提供的性能是使用了多种先进技术，其中包括亳米波(30至300GHz)频率传输、高级信号编码技术(OFDM)、多址边缘计算(MEC)和网络切片。尤其是MassMIMO和波束赋形这两种技术是5G吞吐量和容量增强的基础。MASSIVEMIMOMu1tip1etransmissionpointswithmanydynamica11ysteerab1eantennasMuKbsrM1M

2、ObenefitsFasterdatathroughputGoodce11edgeperformanceHighcapacityXXXXXXXXHiegfCUMKfbeamsInformationsentdirect1ytothedeviceinsteadofbroadcastingacrossthece11Significant1yincreasesdatathroughputandcapacity二洲专短一起拿力图1：大规模MIMo和波束赋形(来源:爱立信)波束赋形和MassMIMO波束赋形和MUMIMO协同工作以提供5G苛刻的吞吐量和连接密度(见图1右)要求。MaSSiVeMIMO(多输

3、入多输出)使用多天线阵列和空间复用来传输独立且单独编码的数据信号，我们称为“流，这些允许在相同的时间段和频率资源上与多个用户设备(UE)进行同时通信。波束赋形与MIMO结合使用，可将波束更紧密地聚焦到单个UE,从而实现更高的连接密度并最大限度地减少单个波束之间的干扰。波束赋形波束赋形与相控阵天线系统一起使用将无线信号聚焦在选定的方向上，通常朝向特定的接收设备。这导致用户设备（UE）处的信号得到改善，并且各个UE的信号之间的干扰也更少。相控天线阵列的设计使得来自每个单独元件的辐射方向图建设性地结合在一起，与来自相邻元件的辐射方向图形成有效的辐射方向图一主瓣一在所需方向上传输能量。同时天线阵列的设

4、计使得在不希望的方向上发送的信号相互破坏性地干扰，形成零点和旁瓣。整个天线阵列系统旨在最大化主瓣中的辐射能量，同时将旁瓣中的能量限制在可接受的水平。主瓣或波束的方向是通过操纵应用于阵列中每个单独天线元件的无线电信号来控制的每个天线都被馈入相同的发射信号，但馈入每个元件的信号的相位和幅度会被调整，从而将波束转向所需的方向（见图2左）。由于每个信号的相位和幅度都是电子控制的,可以实现光束的快速转向，从而可在纳秒内进行调整。控阵天线系统支持波束成形和转向（来源:ADD模拟、数字和混合波束赋形RFchain模拟波束赋形（见下图3）是最简单的赋形方法,信号相位在模拟域中发生变化。来自单个RF收发器的输出

5、被分成多个路径，对应于阵列中天线元件的数量。然后每个信号路径通过移相器并在到达天线元件之前被放大。Digita1basebandprocessing图3:模拟波束赋形（来源:康普）这是实现波束赋形的最具成本效益的方式，因为它使用最少的硬件，但是模拟波束赋形系统只能处理一个数据流并生成一个信号波束，从而限制了它在需要多个波束的5G中的有效性。在数字波束赋形中，每个天线元件由其自己的收发器和数据转换器馈电（下图4）,并且每个信号在射频传输之前在基带处理中进行预编码（具有幅度和相位修改）。图4:数字波束成形（来源:康普）数字波束赋形能够生成多组信号并将其叠加到天线阵列元件上，从而使单个天线阵列能够服

6、务于多个波束，从而服务于多个用户。尽管这种灵活性非常适合5G网络，但数字波束成形需要更多的硬件和信号处理，从而导致功耗增加，尤其是在可能有数百个天线元件的毫米波频率。混合波束赋形（见图5）其中模拟波束赋形在RF阶段执行，数字波束赋形在基带中执行在数字波束赋形的灵活性与模拟的低成本和功耗之间提供了一种折衷。图5:混合波束赋形(来源:康普)混合波束赋形被认为是用于大规模毫米波天线阵列的经济高效的解决方案，并且正在为gNB(5G基站)实施开发各种架构。这些架构大致分为全连接，其中每个射频链都连接到所有天线；以及子连接或部分连接，其中每个RF链连接到一组天线元件。每种架构都旨在降低硬件和信号处理的复杂

7、性，同时提供接近最佳的性能：最接近纯数字波束赋形的性能。在所有架构中gNB和UE之间的通信使用称为波束扫描的技术以及同步信号(SS)和通过信道状态信息参考信号(CSI-RS)获得的信道状态信息(CSI)进行协调-一种从gNB发送到UE的导频信号。图6:5G网络正在转向集中式RAN结构(来源:ISEMag)在波束扫描中gNB在不同的空间方向上以规则的间隔发送突发。UE监听这些突发并使用CSI确定与每个突发相关的信道质量。UE使用此质量信息从其角度选择最佳波束，并且UE将这一选择通知gNBoUE和gNB交换其他信息例如模拟或数字波束赋形能力、波束赋形类型、时序信息和配置信息增加了信道的开销。混合波

8、束赋形及其对数字和模拟波束赋形的划分与正在进行的分解和虚拟化RAN的发展非常吻合。集中式RAN(C-RAN)将基站分成低功率和低复杂度的远程无线电头端(RRH),由位于中心局(Co)的中央单元(CU)协调(图6)o跨多个RRH共享基带资源使C-RAN架构具有成本效益和能源效率，使其成为网络的有吸引力的选择。波束赋形益处波束赋形有效利用电磁干扰科学来提高5G连接的精度，与M1MO协同工作以提高5G网络小区的吞吐量和连接密度。由此产生的高度定向传输对毫米波传输特别有益，亳米波传输会严重受到路径损耗的影响，并且不能很好地通过墙壁等障碍物传播。通过波束成形实现的改进的信噪比(SNR)增加了室外信号范围

9、，更重要的是，室内信号覆盖范围。波束成形消除或“零”干扰的能力在拥挤的城市环境中也是一个显着的优势，在高密度UE的环境中，多个信号波束可能会相互干扰。通过减少内部和外部干扰并降低SNR,波束赋形支持更高阶的信号调制方案，例如64QAM和16QAM所有这些都有助于大幅提高网络小区容量。未来挑战与5G网络的许多其他领域一样，天线系统的开发人员必须满足不断缩小的组件和降低功耗的双重需求。提高频谱效率和吞吐量的压力导致了越来越大的天线阵列的规范，具有64X64MIM0,并且更大的天线阵列已经出现。波束成形的有效性在很大程度上取决于天线阵列的精度，当元件之间的间距接近信号波长时，不需要的旁瓣强度会增加。

10、在60GHZ时，此波长为5毫米，可以大致了解所需的制造公差。缩小波长也意味着缩小组件，例如射频收发器，它们必须将射频功率放大器与ADC等功能集成在一起。同时设计人员必须找到提高所有5G网络组件电源效率的方法。传统上，用于毫米波的射频功率放大器一直由GaAs等III-V半导体材料保留。但是这些设备的功率效率不够高，并且不能很好地与其他功能集成。因此欢迎40nMCMOS的进步，使这些关键组件的尺寸和功耗进一步缩随着各个gNB生成更多波束，信号处理要求变得更加复杂。对波束同步等领域的研究和开发正在进行中，并部署了神经网络技术需要先进的处理硬件、进一步扩展功率预算并增加空间限制。5G承诺依赖于毫米波技术的成功推出。MIMO和波束成形都是关键组件，可实现新兴应用所需的容量和吞吐量以及成倍增长的物联网设备数量。MIMO和波束赋形已经从研究环境转移到商业部署首先是1TE网络，现在是早期的5G部署。3GPP规范对这些双功能的持续发展提出了很高的要求，并且支持技术的持续发展，如高级天线系统(AAS)、40NMCMOS和软件处理，为更大的M1Mo阵列铺平了道路。