无线系列 - 5G大规模MIMO阵列仿真及混合波束成形设计

前言：

5G 宽带速度的飞跃将通过毫米波 (mmWave) 频率范围内的大规模MIMO 通信以及更高效地利用频谱的新无线电算法实现。新的设计架构和算法将影响 5G 系统的各个方面：从天线到 RF 电子再到基带算法。这些子系统的性能耦合地如此紧密，以致于必须进行联合设计和评估。

1. 用于高增益波束成形的大规模 MIMO 阵列

5G 毫米波设计要求在基站 (eNodeB) 部署包含数百个天线单元的大规模 MIMO 天线阵列。由于天线阵列的尺寸与波长成比例减小，因此毫米波频率的阵列最多可以比微波频率阵列小百倍。

在较小的面积内拥有大量天线单元使实现高波束成形增益变得切实可行。具有高度方向性的波束有助于抵消较高工作频率下增加的路径损耗，因为波束将功率控制在特定方向上。

图-混合波束成形阵列架构

 

2. 大规模 MIMO 的行为级仿真

典型的阵列设计包括阵列几何结构、单元间距、单元的晶格结构、单元锥削和耦合效应等参数。通过调节设计参数，可以实现阵列的行和列的锥削，从而减小旁瓣电平。

因此，实现最佳设计需要天线阵列和波束成形算法的组合模型，以便模拟它们的相互作用和对系统性能的影响。这对当前的 3G 和 4G 设计工具造成了压力，这些设计工具通常将天线设计与系统架构和信号处理算法分离。

典型的 MIMO 仿真时间也通常比 3G 和 4G 仿真长 10 倍。天线阵列系统的行为级仿真可以解决这些难题。在行为级别进行仿真会缩短仿真时间。

 

3. 优化天线增益和信道容量之间的取舍

（1）配置初始阵列

使用全向余弦阵元等天线阵元模型，并使用通过电磁 (EM) 工具计算得出或在实验室中测量得出的方向图快速过渡到更准确的分析。可视化阵列性能特征，如下图所示的辐射方向图。

 

（2）使用设计参数进行交互实验

改变阵列大小、阵列几何结构、单元间距和锥削。可视化生成的几何结构，2D 和 3D 方向性以及栅瓣图。

 

4.混合波束成形

虽然较小的波长能够在小外形尺寸中实现大规模 MIMO，但与毫米波频率相关的信号路径和传播难题也会增加。

为了实现更好的波束成形控制和灵活性，理想的做法是对每个天线阵列单元实施独立的加权控制，其中每个单元具有专用的发/收 (T/R) 模块。但由于成本、空间和功率的限制，这种做法通常不切实际。

 

混合波束成形是一种在数字和 RF 域之间划分波束成形的技术，以降低与 RF 信号链数量相关的成本。混合波束成形将多个阵列单元组合成子阵列模块，并有一个 T/R 模块专用于阵列中的子阵列。

 

混合波束成形设计中的一个关键难题是在满足所需性能参数的同时符合实施成本限制。Simulink® 能够对 RF 域和数字域组件进行统一的多域建模和仿真。

在 Simulink 中，可以评估阵元数量和预编码参数值，以确保在一系列转向角范围内达到系统性能要求。在 MATLAB® 中可以计算数字和 RF 波束成形权重并纳入 Simulink 模型中。

该图显示了多域模型的一部分，其中包含数字波束成形权重，用于形成馈送到 RF 子阵列的信号，并应用了相移。得到的混合权重可产生所需的阵列方向图。

 

5.总结

Simulink和Matlab联合仿真，能够设计并且仿真单个天线，天线阵列，MIMO波束成型系统。对于雷达、5G等方向，有着重要意义。当然，工具不仅仅只有这一个，ADS也能设计从射频波束混合系统，到天线阵列的仿真。

 

参考文献：使用Matlab进行5G开发

 

白浪介绍：

（1）一位自媒体极客，面向射频、微波、天线、无线通信、智能硬件、软件编程、渗透安全、人工智能、区块链，Java、Android、C/C++、python等方向的综合能力培养提升。

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