【无线技术】Wireless Technologies and Techniques——MIMO Antennas for 5G Communications and Beamforming
MIMO天线与波束成形技术是5G网络实现高数据速率、低延迟和高容量的核心组件。通过Massive MIMO 和波束成形 ，5G能够在复杂环境中提供更好的用户体验。同时，相干光通信系统为未来高速光通信提供了强大支持。
1. 5G通信
5G通信 是第五代无线通信技术，提供比4G更高的数据速率、更低的延迟、更大的网络容量和更高的可靠性。它支持一种新型网络，将几乎每个人和所有东西连接在一起，包括机器、物体和设备。5G新无线电 5G New Radio（NR）的部署涉及到三个关键的高级概念：
- 增强型移动宽带（eMBB）：为移动通信提供显著更快的数据速度和更大的数据量。
- 大规模机器类型通信（mMTC）：支持大量设备的连接，特别是在大规模物联网应用程序中。
- 超可靠和低延迟通信（URLLC）：设计适用于需要极低延迟和高可靠性的应用程序，如自动驾驶汽车、远程实时手术等。
5G频谱是在6GHz以下的无线电频率范围和毫米波（mmWave）的频率范围。5G频谱分为三个频段：
- 低频段（低于1 GHz）：提供更低的速度和更大的覆盖范围。为移动宽带和大规模物联网应用程序提供全面的覆盖范围。
- 中频带（1 GHz-6GHz）：提供覆盖和速度的平衡。主要在全球范围内用于5G蜂窝通信，例如eMBB。
- 高频段（超过24 GHz）：提供超快的速度，但较小的覆盖半径。流行的乐队有26 GHz，28 GHz，37-40 GHz和64-71 GHz；提供极端的带宽。
由于使用5G技术开发的许多应用都是基于不同的频率范围，因此它需要不同的5G天线来支持不同的频带。5G将使用先进的天线系统（AAS），其中包括多天线技术，即波束形成和MIMO（多输入和多输出）。AAS的核心组件是有源天线系统，其中有源收发器阵列和无源天线阵列智能集成到一个硬件单元中，天线系统的选择是所有节点端设备的关键组成部分。
2. MIMO天线
2.1 简介
MIMO （多输入多输出）和波束成形是支持5G高速通信的关键技术。通过多天线同时发送多个数据流，在不增加频谱和功率的情况下提升吞吐量。MIMO是在5G网络中实现更快、更可靠的无线连接的关键技术。
MIMO 系统包含多个发射天线和接收天线：发射端 提供多个输入信号；接收端 接收多个信号，实现多路传输。
常见配置：
- SISO （单输入单输出）：单天线传输和接收。
- SIMO （单输入多输出）：一个发射天线，多接收天线，用于改善接收可靠性。
- MISO （多输入单输出）：多发射天线，一个接收天线，用于抗干扰。
- MIMO ：多发射、多接收天线，能够同时传输多个独立数据流。
2.2 MIMO信道与数学模型
2.3 MIMO实现技术
MIMO使用以下技术来传输独立的和单独编码的数据信号，称为“流”，重用相同的时间段和频率资源。
- 空间分集（Spatial Diversity） * 同一信息 通过多个路径传输，提升抗衰落能力。
- 增加发射或接收天线可以提高分集增益 ，保证至少一条信道传输效果较好。
- 空间复用（Spatial Multiplexing） * 独立数据流 通过多个空间信道传输，提高系统数据率。
- 每条信道传输不同信息，利用相同频谱资源实现并行传输。
2.4 MIMO Spatial Diversity
在分集技术中，相同的信息通过独立的衰落信道发送来对抗衰落。这保证了至少有一个副本将比其他副本遭受更少的衰落。考虑一个SISO系统，其中一个数据流[1,0,1,1,1]通过一个具有深度衰减的通道传输。由于信道质量的变化，数据流可能会丢失或严重损坏，导致接收机无法恢复。解决方案可以是增加Tx天线或Rx天线的数量，或者两者都有。SISO天线配置将不会提供任何分集，因为没有并行链路。
在这个单输入多输出（SIMO）天线系统中，相同数据的两个副本被放在具有独立衰落特性的两个不同信道上。即使其中一个链接无法传递数据，但通过另一个链接正确传递数据的机会也非常高。因此，额外的衰落信道增加了整体传输的可靠性。可靠性的改进转化为性能的改进——以多样性增益来衡量。这里的多样性增益为2×1=2。
对于具有M个发射天线和N个接收天线的系统，分集路径的最大数为M×N。下图说明了一个2×2的MIMO系统，分集路径数等于4。通过这种方式，可以通过在发射器或接收器或两者上添加多个天线来创建更多的分集路径。
2.4 MIMO Spatial Multiplexing
在空间多路复用中，每个空间通道都携带独立的信息，从而提高了系统的数据速率。这可以与正交频分复用（OFDM）技术相比较，其中不同的频率子信道携带调制数据的不同部分。使用相同的时间/频率资源并行传输单独的数据流。但在空间多路复用中，多路复用增益没有额外的带宽或功率成本，因为它使用相同的时间/频率资源并行传输单独的数据流。
2.5 Massive MIMO（大规模MIMO）
Massive MIMO 大规模MIMO是一种无线通信技术，其中基站配备了大量的天线元件，可同时服务多用户，利用相同的时间和频率资源，以提高频谱和能源效率。通常在基站的单个天线阵列中有数十个、数百个甚至数千个天线。“巨大”与天线的数量有关，而不是它的物理大小。大规模的MIMO系统不是在整个覆盖区域内广播数据，而是将信号能量集中到特定的用户身上，从而显著提高了吞吐量和效率。
Massive MIMO 优点如下：
- 容量增强：它可以在单个单元中容纳更多的用户和设备，这对密集的城市环境至关重要。
- 能源效率：由于波束形成，能量可以集中在需要的地方，减少功率浪费和干扰。
- 增强的数据速率：它能够使用相同的资源同时为多个用户提供服务，从而提高了整体的网络吞吐量。
- 链路可靠性：在发射机和接收机之间的大量MIMO中创建了大量可能的路径，提高了可靠性。
Massive MIMO 特性：
- 通过使用波束形成和波束转向等智能天线技术，提供了5G所承诺的更高的吞吐量和容量增益。
- 在Massive MIMO中，光束基本上更窄，因为在电池中比用户设备（UE）多得多，允许基站更精确、更有效地向UE发送射频能量。
- 通过安装大量的天线，可以进一步提高电池内的信噪比。由于5G大质量MIMO使用的是mmWave频率（超过24 GHz），因此所需的天线很小，安装和维护也很简单。
- 使用mm波频率，由于路径损失，信号功率迅速下降。大规模MIMO天线元件的数量提供了更大的增益，解决了这个问题。
全维MIMO（FD-MIMO） 实现水平和垂直方向的三维波束成形 ，为多层建筑中的用户提供更精准的信号覆盖。允许在水平（方位角）和垂直（高程）尺寸上同时进行波束控制，通过3D波束形成和波束转向技术来实现的，可以更精确地控制信号方向，使不同高度的用户（例如，多层建筑中的用户）受益。FD-MIMO是5G系统的核心技术，其高容量和精确的波束形成对于满足对移动数据日益增长的需求至关重要。
3. 波束成形（Beamforming）技术
大规模MIMO采用波束形成概念，通过将信号集中到特定方向，为用户提供更好的覆盖。波束形成涉及到基站和用户设备之间信号的定向传输和接收，它使用多个天线来创建窄的波束，可以指向特定的用户或设备，使信号在特定方向叠加，形成窄波束，而不是向各个方向广播信号，如果信号在不同方向干扰，则可能出现空间空洞（Spatial hole）。这使运营商能够提供更高的数据速率、更好的覆盖率和更有效地利用可用的频谱。由于毫米波（mmWave）不能穿透障碍物，也不能由于波长的波长传播到较长的距离。波束形成帮助用户接收强信号而不干扰其他用户。
波束形成是如何工作的呢？ 信号光束与光束相似。由于手电筒产生的光束的形状是固定的，如果另一个手电筒在同一方向产生一束光束，则将两束光束叠加，从而增加光束的亮度，改变光束的形状。同样，在多天线系统中，波束形成技术通过预先补偿发射天线的相位，使两束的叠加达到最佳效果。如果两束光束的衰减相等，但相位相反，就会出现空间孔（Spatial hole）。 ****
**波束分割多址 访问Beam Division Multiple Access（BDMA）**是新型5G多址接入技术，通过将天线波束分割给多个用户，使多个设备共享有限的频谱。多址技术使多个用户能够同时共享一个有限的无线电频谱片段，每个用户设备都可以同时访问可用的带宽，而不干扰其他用户设备。前几代无线通信技术采用了以下多址技术：
- 码分多址技术 Code division multiple access
- 频分多址接入 Frequency division multiple access（FDMA）
- 时分多址 Time division multiple access
5G有自己的一套多重访问技术，包括：
- 正交FDMA Orthogonal FDMA （OFDMA）
- 单载体FDMA Single-carrier FDMA
- 非正交多址访问 Nonorthogonal multiple access（NOMA）
- 波束分路多址接入 Beam Division Multiple Access（BDMA）
在5G网络中的多个移动站，根据一定的标准和小区内用户的位置来划分基站天线波束。BDMA独立于频率、时间和代码约束，有助于它克服无线通信中FDMA和正交频分复用（OFDM）的限制。 为不同用户分配正交波束 ，避免频率、时间或码分的约束，克服传统FDMA或OFDM的局限。降低多用户之间的干扰，提升用户容量。BDMA使5G网络能够处理大量的移动用户，同时减少了多用户的干扰，更有效地利用频谱容量，即使它们提高了信道的数量。
波束控制（Beam Steering） 是在天线阵列系统中动态调整天线主波束方向的过程，它被用于跟踪或定位一个移动的对象或接收器。在一个天线阵列中，多个天线一起工作来发射或接收信号。通过调整相位和有时在每个单独的天线上的信号的振幅，光束的整体方向可以被引导到一个特定的位置。这种调整通常使用每个天线元件中的电子移相器来完成，它允许天线在不进行物理移动的情况下改变传输或接收的方向。它是通过电子调整来实现的，5G和Wi-Fi网络通过将波束指向特定用户来优化信号质量，卫星通信以保持与移动卫星或地面站的联系等。应用领域 有：
- 雷达系统 ：追踪飞机、船只、天气模式。
- 5G和Wi-Fi网络 ：优化信号质量，面向特定用户发射波束。
- 卫星通信 ：与移动卫星或地面站保持链接。
智能/相控阵天线（Smart/Phased Array Antenna） 是一种通过电子控制信号相位来改变波束方向的天线系统。阵列天线是多个单独的天线元件的结构，作为单个天线系统一起工作。而相控阵天线是一种阵列天线，其中每个单独天线元件上的信号相位被电子控制。这允许通过改变天线元件的相对相位来引导光束在不同的方向。阵列天线的增益计算公式如下：
增加天线单元后，阵列增益按10*log(N) 增长；每新增天线单元，系统孔径增大，噪声保持恒定，天线的方向性和增益 提高。
相位阵列天线提供了更高的增益和可操纵性。阵列增益（Array Gain） ：当多个天线单元协同发射时，信号在特定方向叠加，形成更高强度 的波束。如图所示，更多单元组成的阵列会带来更高的增益（6 dB > 3 dB > 0 dB），因为信号强度随天线单元数量线性增加。可操控性（S**teerability ）：**子阵列可以将大阵列拆分为多个部分，通过组合这些部分灵活生成多个波束，下图展示了使用更大子阵列（如 4a）时，波束集中度更强，增益更高；当缩小子阵列尺寸时（如 a），虽然波束角度更广，但增益降低。
