張長青　中國移動通信集團湖南有限公司岳陽分公司高級工程師

發(fā)展策略

面向5G的有源大規(guī)模MIMO天線研究

張長青中國移動通信集團湖南有限公司岳陽分公司高級工程師

5G系統(tǒng)是一個萬物互聯的高傳輸速率和高傳輸數據量的移動通信網絡，對無線傳輸的速率、容量和可靠性有很高的要求。傳統(tǒng)MIMO天線因為不能從天線振子的幾何位置上滿足設計要求，只能以預編碼方式予以補償，使得空間復用、空間分集和波束賦形等多天線基本應用受到較大的限制。有源大規(guī)模MIMO天線是一款專為5G標準和需求設計的多天線系統(tǒng)，因能以專用、獨立和可插拔有源陣列模塊作為輻射單元，系統(tǒng)不僅可以同時獲得高質量的空間復用、空間分集和波束賦形等功能，還能方便運營商根據業(yè)務需要，對天線系統(tǒng)隨時升級擴容和維護優(yōu)化。

5G；有源陣列模塊；大規(guī)模MIMO天線；波束賦形

1　引言

5G時代對小區(qū)分布要求將會越來越密集，對容量、能耗和數據業(yè)務要求也會越來越高，提升物理鏈路的傳輸速率，擴展傳輸頻譜資源，高密度部署同構與異構網絡，將會是促進5G系統(tǒng)高速發(fā)展移動數據流量、滿足移動用戶超帶寬業(yè)務需求的重要手段。5G應用的特殊性，有可能使5G系統(tǒng)的無線傳輸采用頻率高于5GHz的載波通信，甚至是毫米波通信。通信理論指出，載波波長越短，則越利于收發(fā)天饋系統(tǒng)的小型化、集成化和振子數量的大規(guī)?；?。有源天線將天線振子單元、輻射功放單元、耦合振蕩單元，甚至是相控陣單元集成一體，既可以使天饋系統(tǒng)結構簡單緊湊，降低設備的重量和成本，便于天線的組合安裝，又可以減小電路的復雜度，降低功耗與輻射功率，方便天饋系統(tǒng)的優(yōu)化與維護。因此，有源大規(guī)模MIMO天線有潛力成為5G系統(tǒng)的重要選擇。

大規(guī)模MIMO天線是指天線振子單元少則幾十個，多則幾百個，可同時發(fā)送不同用戶的多組數據，或相同用戶的相同數據，既可以承載多用戶復用通信功能，也可以承載空間分集增益功能。傳統(tǒng)的有源陣列天線，實際上是指具有一定相控定位和波束成形功能的智能天線，既可以準確地鎖定有用用戶的通信，又可以避免無用用戶的干擾，還可以提高發(fā)射功率密度，降低發(fā)射功率。顯然，這兩類天線都屬于多天線類型，但因技術要求的相互矛盾，無法使這兩類天線完全共享各自優(yōu)勢，且性能有限。本文研究的有源大規(guī)模MIMO天線，因其結構的特殊性和其模塊功能的專用性，使之成為大規(guī)模MIMO天線和智能陣列相結合的產物，完全可以支持5G網絡同時應用空間復用、空間分集和波束賦形等功能，因而可以成為5G網絡中無線接入系統(tǒng)的重要組成部分。

2　傳統(tǒng)MIMO天線性能分析

MIMO天線技術的特點是，充分利用多徑效應，將傳統(tǒng)智能天線中的向量信道轉化為矩陣信道，系統(tǒng)既可以獲得空間復用增益，又可以獲得空間分集增益，還可以享用波束賦形效果。然而，傳統(tǒng)的MIMO天線，在傳輸方案設計時只能在空間復用、空間分集和波束賦三個方案中，根據實際要求最大化地獲取其中一種或兩種增益，這是因為傳統(tǒng)MIMO天線的設計既存在技術方面的局限性，也存在業(yè)務需求方面的臨時應用性。下面先從空間復用、空間分集、波束賦形和有源陣列四方面，簡單分析傳統(tǒng)MIMO天線的基本性能和要求。

2.1MIMO天線的空間復用技術

空間復用是指在無線信道的發(fā)射端使用多天線，接收端是多個單天線或多天線終端，使之能夠充分利用空間傳播的多徑分量，在同一頻帶內同時使用多個數據通道傳輸多個不同信號，使無線通信容量能夠隨著收發(fā)天線數量的增加而線性增加，且不需要占用額外的傳輸帶寬，消耗額外的發(fā)射功率?？臻g復用的基本原理是，先將高速串行數據流變換成N個低速并行數據流，根據MIMO信道分配方案用預編碼處理，再用同一頻帶內的N個子載波予以調制，而后將這N個調制信號從N個天線上同時發(fā)射出去。由于多徑傳播，每個發(fā)射天線針對接收端都將產生一個不同的空間信號，接收端則根據不同信號，利用相關解碼算法予以檢測，從而區(qū)分出各自不同的數據流。顯然，實現空間復用的首要條件是發(fā)射天線和接收天線的振子間距，必須大到可以保證收發(fā)端各子信道是獨立衰落的不相關信道。

眾所周知，在MIMO天線的無線信道中存在大量的多徑信道，既可為系統(tǒng)提供較大的信道分集增益，增加空間復用的性能，也可能使信道間的相關性增加，當信道間的相關性增加到一定程度時，MIMO天線的信道矩陣就會出現秩不足現象，從而影響系統(tǒng)的性能。當然，空間復用也存在多用戶間相互干擾問題，尤其是大規(guī)模MIMO天線，但若在發(fā)送端采用預編碼技術，利用信道狀態(tài)信息（CSI）就可提高系統(tǒng)容量，降低系統(tǒng)誤碼率，減小技術的復雜度。所謂預編碼是將一路高速串行數據流映射為多路低速并行數據流，通過預編碼矩陣對低速并行數據流做行列變換，再將其從MIMO天線發(fā)送出去，如復雜度較高的基于信道分解的線性預編碼技術有奇異值分解（SVD）、幾何均值分解（GMD）和均勻信道分解（UCD），還有算法復雜度較低的LDR分解等預編碼技術等。

在空間復用中，每根發(fā)射天線發(fā)出的信號都會被所有接收天線收到，但接收天線只有收到屬于自己對應的發(fā)射信號才有意義，所以接收端必須解碼才能正確選擇出自己應該接收的信號?？臻g復用接收端的解碼算法有迫零（ZF）、最小均方誤差（MMSE）和最大似然（ML）等，其中ZF是一種線性接收方法，可以很好地分離同頻信號，但需要有較高的信噪比才能保持較好的性能；MMSE也是線性算法，可以使因噪聲和同頻信號相互干擾造成的錯誤最小，盡管降低了信號的分離質量，但具有較好的抗噪性能；ML的接收性能最好，但計算復雜度較高。

2.2MIMO天線的空間分集技術

根據無線通信信號原理，接收機在收到原發(fā)信號的同時，若還能收到衰減程度相互獨立的原發(fā)信號的副本，則有助于接收機對接收信號的正確判決。這種用提供傳送信號的多個副本來提高接收信號正確判決幾率的方法叫分集。確切地說，分集是通過多個信道（時域、頻域和空域）承載相同信息的多個信號副本，由于各信道的傳輸特性不同，信號多個副本的衰落也不相同，但接收機可從這些多徑信號中分離出對應的多路信號，并將多路信號的能量按照一定規(guī)則合并起來，使接收的有用信號的能量最大，正確的恢復出原始發(fā)送信號。顯然，分集技術是信息在發(fā)射前的“分”技術和信息在接收后的“集”技術，是一種為了改善信息傳輸的可靠性，充分運用傳輸中多徑信號的能量，根據信號的基本參數在時域、頻域和空域，實現如何分散又如何收集的傳輸技術。

MIMO信道存在的多徑效應，容易引起衰落信道損耗和空間選擇衰落，若無分集技術，在信噪比較小時，發(fā)射機只有提高發(fā)送功率，才能在信道情況較差時保證鏈路的正常連接。移動通信中，由于終端電池容量有限，反向鏈路中所能獲得的功率非常有限，采用分集方法可以有效地降低終端的發(fā)射功率。MIMO天線可以利用空間信道中多個相同信號獨立樣本互不相關的特點，在接收端使用相應的信號合并技術改善接收信號的質量?；蛘哒f，MIMO天線利用空間分集可以使無線傳輸提高接收性能，因為空間分集是一種涉及空間、時間、頻率、相位和編碼等多種發(fā)射資源相互組合的多天線技術，是利用電磁場強隨空間隨機變化實現的，空間距離越大，多徑傳播的差異性越大，引起傳播路徑中散射體的豐富程序也越大，從而使接收信號間的相似程度越小，空間分集的效果越好，所以MIMO天線振子間的距離也必須足夠大。

實現空間分集，首先需要考慮MIMO天線振子的幾何結構，其次需要考慮空時編碼。實踐證明，要獲得較好的空間分集效果，發(fā)射端的發(fā)射天線振子間的距離至少要大于0.6個波長，且必須選在1/4波長奇數倍位置，接收端接收天線振子的間距至少要大于3個波長。空時編碼是一種多天線與空間分集和時間分集相結合、空間傳輸信號和時間傳輸信號相結合，同時利用空時兩維信號構造碼字、提高數據傳輸率、實現空間分集的編碼技術?？諘r編碼在發(fā)射端將信息符號按天線和時隙合理分配，將系統(tǒng)發(fā)射的每組信息符號編碼成一個以空時兩域資源為單位的空時編碼矩陣，如正交空時分組碼（BSTBC），將串行高速數據流轉換成多個并行低速數據流后，經過MIMO天線同時發(fā)射出去，接收端則利用空時碼字矩陣的正交性，使用基于線性處理的最大似然算法譯碼出所有信號。

2.3MIMO智能天線技術

智能天線的工作原理主要包括兩個過程，首先是天線系統(tǒng)對來自移動終端發(fā)射的多徑信號的波達方向（DOA）進行估計，算出移動終端與基站的距離、下傾角和方位角后進行空間濾波，從而抑制其它終端對基站的干擾；其次是基站根據DOA信息，調整天線各振子上信號的幅度和相位的權值，對智能天線發(fā)送的信號進行數字波束賦形，使基站發(fā)射信號的主瓣能夠以較小的波瓣角和較高的功率密度，沿著移動終端電波信號的波達方向發(fā)送回移動終端，從而使智能天線發(fā)射的電磁波的主瓣方向對準期望用戶，零瓣方向對準干擾源，不僅能降低天線系統(tǒng)的發(fā)射功率，減少對其它終端的干擾，還能提高發(fā)射信號的信噪比，增加系統(tǒng)容量。顯然，智能天線的核心是波束賦形的產生和賦形波束的定位，既要產生功率密度極高、輻射距離更遠的賦形波束，也要使賦形波束能夠準確定位用戶終端。

MIMO天線的波束賦形是一種基于天線陣列的信號預處理技術，它是通過調整天線陣列中每個陣元的加權系數產生具有指向性的波束，從而獲得明顯的陣列增益。由于波束賦形具有較強的空間選擇性，因而在擴大覆蓋范圍、改善邊緣吞吐量和干擾抑制等方面有很大優(yōu)勢。根據波動理論，如果智能天線上的所有同極化振子之間的距離都為1/2波長的整數倍，這些振子發(fā)射的同頻信號就可能存在半個波長或半個波長倍數倍的相位差，從而使得從這些振子上發(fā)射的同頻信號之間產生干涉現象，出現某些方向的振幅增強、某些方向的振幅減弱的相長相消現象。若能根據信道條件適當控制每個陣元的加權系數，同樣可以獲得在增強期望方向信號強度的同時，盡可能地降低對非期望方向的干擾。如果加權系數是通過終端的DOA參數預處理得到，則波束賦形就可以指向終端用戶。

傳統(tǒng)的波束賦形要求陣列陣元的間距是基于半個波長整數倍的小距離方式，是一種基于單數據流的空域獨占的預處理技術。預編碼則是基于天線陣列陣元大距離的、可同樣實現波束賦形效果的陣列信號預處理技術，是一種基于多數據流的空間復用的預處理技術。傳統(tǒng)MIMO天線的波束賦形就是用預編碼技術實現的，其中MIMO天線單元發(fā)送的信號不同，各個天線陣元的間距也大于相干距離，甚至可以認為陣元彼此獨立。實現MIMO波束賦形的經典算法主要是ZF算法和塊對角化（BD）算法，所以多用戶下的MIMO波束賦形主要是用來實現空分多址。顯然，傳統(tǒng)MIMO陣列的波束賦形效果有限，雖然可以實現雙流多用戶波束賦形，但僅可用于兩個用戶，且波瓣角度較大、波瓣扇面較寬、波束功率密度較低和波束傳輸距離較小，無法適應5G需求。

2.4有源天線陣列技術

有源集成天線是由有源輻射功放集成電路與天線振子或微帶帖片等輻射單元集成在一起形成的，因而是一個既可產生射頻功率，又可直接輻射電磁波的天線模塊。有源集成天線陣列是由多個有源集成天線單元組合形成的。在有源集成天線陣列中，由于每個單元的輻射功率是由輻射單元源產生的，既可以省去復雜的功率分配網絡，又可減少額外功率的損耗，還能降低輻射單元的輸出功率。另外，雖然每個有源天線單元的輻射功率有限，但利用空間功率合成就可以獲得大功率輻射。其三，由于集成電路中的耦合振蕩器具有非線性動態(tài)特性，可以控制每個有源天線單元的相位分布，方便實現空間波束反描構成相控陣列，產生高功率密度的波束賦形。最后，因為半導體集成器件具有良好的可靠性和直流、射頻轉換效率，適合多自由度架構的平面或立體有源集成天線陣列。

有源天線陣列可直接在天饋部分實現電磁波產生、變換、發(fā)射和接收等系統(tǒng)功能，天線不僅是輻射單元，還是有源電路的組成部分，雙方不再是簡單的級聯，而是互為對方電路的部分，減少了中間元器件，減少了饋線連接和連接節(jié)點，在設計上天線和有源電路是一個有機整體，一個功耗和損耗都小、波束成形輻射效率更高、更便于維護和管理的集成電路。傳統(tǒng)的MIMO天線因其陣元數不超過8個、載波波長較長，需偏重考慮天線的空間復用和空間分集等應用效果，所以各天線陣元布局的空間較大，各陣元輻射的電磁波幾乎無關，只能通過預編碼方式實現性能較差的波束賦形，因而沒有必要、也沒有條件設計和應用有源集成天線，更談不上采用有源天線陣列，所以傳統(tǒng)的有源天線陣列技術主要應用在軍事相控陣雷達系統(tǒng)，迄今為止也沒有應用于移動通信。

傳統(tǒng)MIMO天線在移動通信中的應用，起始于3G，普及于4G，需同時考慮空間復用、空間分集和波束賦形等多天線應用，然而畢竟先天不足，空間復用和波束賦形方式只有單流波束賦形和雙流波束賦形的選擇。在多用戶MIMO波束賦形系統(tǒng)中，在同一空域條件下，一個時頻資源塊只能調度給一個信道條件好的用戶，不能充分利用MIMO系統(tǒng)的空間自由度，因為發(fā)射端每次調度時，先隨機產生多個波束，然后再把各個波束分配給信道條件匹配的多個用戶，這樣才可以同時獲得多用戶分集增益和空間復用增益。在隨機正交波束空分多址技術中，MIMO產生承載多個用戶數據的多個波束時，要求波束之間相互正交，隨著用戶數的不斷增長，雖然能夠逐漸地達到多天線系統(tǒng)廣播信道容量的增長速度，但當用戶數目有限時，該方案的性能會急劇下降。傳統(tǒng)MIMO天線的顧此失彼，應用性能當然有限。

2.5傳統(tǒng)MIMO天線應用分析

空間復用支持無線信道兩端由MIMO天線組成的多組信道傳輸不同信號，從而可以使信息承載和用戶多址從時分、頻分到空分，極大地擴展了無線傳輸信道的應用領域。空間復用雖然對無線傳輸的可靠性沒有什么幫助，但卻可以極大地提高傳輸頻譜利用率，極大地提高無線傳輸容量；空間分集支持無線信道兩端由MIMO天線組成的多組信道傳輸相同信號，從而可使發(fā)射端的發(fā)射信號盡可能的被接收端識別，使發(fā)射端有效地降低發(fā)射功率、接收端有效地降低靈敏度，有效地降低發(fā)射端和接收端的技術難度和制造成本?？臻g分集雖然對數據傳輸速率和頻譜利用率沒有貢獻，但卻可以極大地提高無線傳輸的可靠性，改善無線傳輸的質量；波束賦形支持MIMO發(fā)射天線可以根據系統(tǒng)需求約束發(fā)射信號的波瓣寬度和波瓣方位角，使輻射信號以高功率密度、自動避開干擾、準確地與有用終端通信。波束賦形雖然不能提高傳輸容量，但卻可以提高無線傳輸的可靠性和傳輸質量。

空間復用和空間分集在技術方面要求MIMO天線振子的間距越大越好，即要求MIMO天線的每個振子發(fā)射的信號具有獨立性和無關性，這實際上很難做到，因為MIIMO天線還有其他要求，所以振子的間距多采用1/4波長的奇數倍，或十個波長以上；波束賦形要求MIMO天線中的每個振子發(fā)射的信號具有相長相消的相干性，要求所有振子的間距滿足相干性條件，即所有發(fā)射相同信號的振子的間距只能是半個波長或半個波長的整數倍。顯然，要想MIMO天線同時支持空間復用、空間分集和波束賦形，理論上是無法做到的。正因如此，傳統(tǒng)MIMO天線只能彼此兼顧，這樣就大大削弱了MIMO天線支持空間復用、空間分集和波束賦形的效果。

3　面向5G的有源大規(guī)模MIMO天線研究

根據《5G愿景與需求白皮書》描述，5G支持的廣域覆蓋場景將為用戶提供高達10Mbit/s的體驗速率，支持熱點區(qū)域的數據流量密度可達10Gbit/s體驗速率和10Tbit/km2數據密度。傳統(tǒng)MIMO天線，不僅天線數量少，控制能力差，其空間復用、空間分集和波束賦形等功能的低性能和側重性應用，也為5G系統(tǒng)所不能接受。為此，我們專門設計了一款面向5G的有源大規(guī)模MIMO天線，該天線不僅在天線振子數量方面遠超傳統(tǒng)MIMO天線，以有源陣列模塊為天線組織單元的新穎結構，完全可以同時高效地完成空間復用、空間分集和波束賦形功能。

3.1有源大規(guī)模MIMO天線結構

圖1所示為一款專門為5G設計的有源大規(guī)模MIMO天線的結構圖，該天線設計的中心思想是，以有源陣列模塊為天線組織的基本單元來組建MIMO天線，其中有源陣列模塊是由n×m或n×m×q個有源集成天線單元組成的二維或三維，具有專用、獨立、可插拔的集成器件，其中各陣元振子間的距離分別為a、b或a、b、c，一般取半個波長的整數倍。有源大規(guī)模MIMO天線則是由N×M個有源陣列模塊組成，且各模塊間的距離分為A、B，一般?。?0+1/4）波長。

有源陣列模塊是有源大規(guī)模MIMO天線實現波束賦形的專用單元，天線振子布局可以是二維陣列，也可以是三維陣列，為了使波束賦形具有一定的獨立性，也為了提高波束賦形的快速反映，將包括輻射功放、耦合振蕩、相控陣元和插拔接口等電路元器件，甚至是波束賦形算法芯片都直接集成到陣列振元上，從而使其成為方便擴容、維護和優(yōu)化的獨立的可插拔器件。也就是說，波束賦形的功能完全可以由有源陣列模塊獨立執(zhí)行，天線系統(tǒng)只需為其提供目標終端的波達方向參數即可。由于有源陣列模塊中陣元的幾何位置可以按照波束賦形的理論定位，無需采用預編碼和其他補償技術，又由于基于波束賦形的陣元權值算法比較簡單，可以固化集成，既可降低模塊的技術度，又可減少消耗系統(tǒng)資源的軟件操作，所以有源陣列模塊可以快速執(zhí)行波束賦形功能。

圖1　有源大規(guī)模MIMO天線結構簡圖

有源大規(guī)模MIMO天線在執(zhí)行空間復用和空間分集功能時，是以有源陣列模塊為輻射單元進行的，可以將有源大規(guī)模MIMO天線等效為傳統(tǒng)MIMO天線，使得有源大規(guī)模MIMO天線在執(zhí)行空間復用和空間分集功能時，借鑒、參考，甚至是照搬部分傳統(tǒng)MIMO天線的成熟技術。由于有源陣列模塊被設計為一種對其他功能沒有任何影響的可獨立執(zhí)行波束賦形功能的可插拔器件，各模塊在空間上具有不相干性，保證各自發(fā)射信道是具有獨立衰落的不相關信道，非常方便運營商根據熱點小區(qū)、或密集小區(qū)的業(yè)務需求，隨時隨地靈活增加或減少有源陣列模塊，調整MIMO天線的空間復用和空間分集應用，滿足數據業(yè)務的通信要求。

3.2有源陣列模塊的技術分析

因為有源大規(guī)模MIMO天線是以有源陣列模塊為輻射單元，而輻射單元分布在MIMO天線上的不同位置，所以輻射單元對目標用戶處產生的波束賦形與輻射單元的位置有關。為了使輻射單元真正成為一個獨立的即插即用的可插拔模板，可以給MIMO天線中安裝輻射單元的位置設置一個位置標志，如圖2所示，在8個單元的MIMO天線上各輻射單元的位置分別為1～8。當輻射單元模塊插入到位置2時，天線系統(tǒng)就能自動識別，并按照位置2來計算輻射單元的波束賦形對準用戶終端。有源大規(guī)模MIMO天線的最大不同，就是作為輻射單元的有源陣列模塊的設計與應用，若以有源陣列模塊為輻射單元，則天線的空間復用和空間分集等基本功能與傳統(tǒng)MIMO天線就沒有多少差別，所以只需重點研究有源陣列模塊是怎樣根據終端的波達方向產生的波束賦形。

圖2　有源大規(guī)模MIMO天線的波束賦形

設在8個輻射單元的二維MIMO天線中，各輻射單元間X軸的間距為A，Y軸的間距為B，X軸有N個輻射單元，Y軸有M個輻射單元。設作為輻射單元的有源陣列模塊是由n×m×q個陣元振子組成的三維陣列，x軸陣元間距為a，y軸陣元間距為b，z軸陣元間距為c，x軸有n個陣元，y軸有m個陣元，z軸有q個陣元。設有移動終端位于MIMO天線正面P（R，θ，φ）處，其中R、θ、φ分別為P點的球坐標，若以Z軸為MIMO天線平面法線，則θ是輻射單元的下傾角，φ是輻射單元的方位角，R為MIIMO天線中心坐標原點至P點的距離。據些，可研究MIMO天線中某個輻射單元中的陣元振子d（i，j，k）對P（R，θ，φ）處終端的波束成形，如圖2所示。

設以MIMO天線坐標XYZ為參考，在第（I，J）處的輻射單元中的第（i、j、z）處的陣元振子d（i，j，k）對終端P （R，θ，φ）處的距離r（i，j，k）可表示為：

由于r>>IA、r>>ia、r>>JB、r>>jb、r>>kq，利用一階泰勒展開，（1）式開方后可簡化為：

所以，位于P（R，θ，φ）的終端接收第（I，J）個輻射單元中第d（i，j，k）個陣元振子的信號時，相對于MIMO天線中心處的相位差為：

終端收到來自第（I，J）個輻射單元中陣元振子d（i，j，k）輻射的發(fā)送信號可表示為：

設MIMO天線的第（I，J）個輻射單元中第d（i，j，k）個陣元振子的陣列權函數為w（I，J，，i，j，k），則位于P（R，θ，φ）終端收到第（I，J）個輻射單元的接收信號可表示為：

最后得到MIMO天線第（I，J）個輻射單元的方向圖函數：

根據通信理論，得到第（I，J）個輻射單元對準目標方位角（θ0，φ0）的方向圖函數：

顯然，只要有終端波達方向的目標方位角（θ0，φ0），就可以得到對準目標的波束賦形函數。

設通信載波主頻率f=30GHz，則波長λ=1cm；設MIMO天線中的輻射單元數為N=2，M=4；設輻射單元中的陣元數為n=4，m=4，q=2。則有源大規(guī)模MIMO天線中的陣元總數為256。為了保證輻射單元的獨立性，取A=B=10.25λ；為保證陣元的相干性，取a=b=c=λ/2。設有源大規(guī)模MIMO天線覆蓋小區(qū)內有8個用戶，分別對應8個輻射單元，對應的目標下傾角全為60°，方位角分別為10°、20°、30°、40°、50°，60°，70°和80°，或者對應的目標方位角全為45°，下傾角分別為10°、20°、30°、40°、50°，60°，70°和80°。取權值w0（I，J，，i，j，k）=1，根據公式（7），用MATLAB分析有源大規(guī)模MIMO天線各輻射單元對應各用戶的波束賦形的方向圖，具體如圖3所示。

從圖3可看出，雖然各終端間的方位角和下傾角只有10°之差，但賦形波束已經清晰地將其分開，也就是說，在MIMO天線中的各輻射單元發(fā)射的波束從空間位置上是完全獨立的，加之各天線塊間的距離都在波長的10倍以上，每個輻射單元的場強影響可以忽略，所以各輻射單元形成的賦形波束也是獨立的。至于各輻射單元間的分集增益與復用增益，則完全取決于每個輻射單元對同一用戶信號的空時編碼。

公式（7）表明，權值w0的意義是賦形波束的傳輸長度，該權值甚至可以只對輻射單元取值。波達方向角（θ0，φ0）實際上是目的終端的下傾角和方位角。所以，系統(tǒng)若能從波達方向值中獲得目標終端距基站的距離、下傾角和方位角值，直接將其輸入作為輻射單元的有源陣列模塊，就可以使輻射單元產生對準目標終端的賦形波束。由此可見，有源大規(guī)模MIMO天線的母件，在波束賦形應用方面的設計可以做得非常簡單。

圖3　8個獨立天線對應陣列的水平與垂直波束賦形

4　結束語

有源大規(guī)模MIMO天線因為輻射單元是一個專用有源陣列模塊，使MIMO天線的波束賦形可以與空間復用和空間分集等功能完全分開，在互不影響的前提下，同時獨立完成。尤其是有源陣列模塊采用了相控陣技術，只需要了解移動目標的距離、下傾角和方位角，就能快速產生對準目標的賦形波束，不僅可以提高有源陣列模塊實現波束賦形的效率和速率，還能簡化有源陣列模塊作為獨立插拔元器件的設計。

另外，當以有源陣列模塊作為獨立的輻射單元時，有源大規(guī)模MIMO天線就等效于傳統(tǒng)的MIMO天線，這樣作為傳統(tǒng)MIMO天線基本應用的空間復用和空間分集技術，就完全可以部分借鑒到有源大規(guī)模MIMO天線中，不僅可以降低有源大規(guī)模MIMO天線的研發(fā)成本，還能加快研發(fā)速度，甚至可以方便引進其他高新技術來改善和優(yōu)化系統(tǒng)，使其更加適合5G網絡的應用。

只需目標終端的DOA基本數據，波束賦形功能就可以由有源陣列模塊獨自完成，所以有源陣列模塊具有的獨立性和可插拔性，極大地方便了運營商對小區(qū)網絡的維護、管理與優(yōu)化。

［1］IMT-2020（5G）推進組.5G愿景與需求（白皮書）［R］.北京：IMT-2020推進組，2014，5.

［2］高峰，和凱，宋智源，等.5G大規(guī)模緊耦合陣列天線研究［J］.電信科學，2015（05）：36-41.

［3］黃丘林，史小衛(wèi).MIMO系統(tǒng)中分集增益和空間復用增益的折衷關系［J］.電子與信息學報，2007（03）：681-685.

［4］張長青.智能天線在TD-LTE中的應用分析［J］.移動通信，2012（24）：49-54.

［5］王映民，孫韶輝等.TD-LTE Advanced移動通信系統(tǒng)設計［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

［6］張長青.面陣體陣波束賦形及小型化研究［J］.移動通信，2012（20）：61-67.

2016-06-28）