5G通信-更多天线，更快的数据传输

与使用单个全向信号相比，MIMO和波束成形可提供更高的数据速率。

天线在通过空间传播的无线电波和在金属导体中移动的电流之间进行转换。在早期的通信系统中，天线通常非常简单，也许只是由电线构成的半波偶极子。通常每个无线电只有一个天线，用于发送和接收。随着无线通信的发展，无线工程师已经弄清楚了如何在无线系统中部署多个天线以提高性能。MIMO系统和相控阵天线是两个主要的技术趋势，用于发送和接收5G所需的无线电信号。

多输入多输出（MIMO）

图1显示了发送和接收天线的四种配置。每个设备上一根天线的基本系统称为单输入单输出（SISO）。这是用于多种无线电用途的最简单，最常见的天线配置。添加第二个发射天线，您将获得多输入单输出（MISO）。将第二根天线放在接收器上，您将获得单输入多输出（SIMO）。最后，在发射器和接收器上都有多个天线的情况下，我们将拥有多输入多输出（MIMO），这是我们将重点关注的配置。

图1.这四种常见的无线电配置可以在无线通信系统中使用。图像：是德科技。

为简单起见，图1仅示出了每个设备上的两个天线（称为2×2 MIMO）。该方法已扩展为使用更多天线。例如，WiFi-6最多使用8×8 MIMO，5G将增加更多天线。

空间复用

MIMO利用空间复用的优势来增加信道的带宽，而不会消耗额外的频谱。这听起来似乎是不可能的，但该技术确实有效。许多无线信道会经历多径传播，这种情况发生在辐射信号遵循多条路径从发射机到接收机的路径上。这种多路径的常见机制是无线电信号从山脉，建筑物或其他障碍物反射回来。

在SISO无线电系统中，当多个信号重新组合时，多径传播通常会在接收机处引起失真。这些信号经过不同的路径后会及时偏移，从而造成破坏性的叠加，从而引入失真。MIMO通过使用这些替代路径发送附加信息来利用此信道特性。存在的多径越多，使用MIMO的通量就越好。实际上，如果不存在多径传播，则MIMO会失去其优势，其性能类似于SISO系统。

实现MIMO所需的信号处理异常复杂。图2示出了用于2×2 MIMO系统的信道矩阵H的简化模型。信道矩阵以矩阵形式描述了每个发射机/接收机对的信道特性。知道或估计这些信道参数可以使MIMO系统使用多径传播。

图2.信道矩阵数学上描述了所有MIMO天线之间的信号路径。Bob Witte的图片。

信道矩阵也称为信道状态信息（CSI），它是通信链路的已知信道属性，包括散射，衰落和随距离的功率衰减。某些MIMO系统是开环的，需要接收机估计信道矩阵。更高级的系统使用来自接收器的反馈来通知发送器有关CSI的信息。

理想情况下，由于通道特性可以快速更改，因此可以实时更新CSI。系统中的设备可能正在移动，并且发射器和接收器之间的障碍物可能会出现或消失。理想情况下，CSI是对每个发射天线到每个接收天线的路径的完整而准确的表征。实际上，由于反馈有限，信道条件变化和测量误差，该值小于此值。

波束成形

到目前为止，我们已经假定使用具有宽辐射方向图的简单天线。无线通信的另一个技术趋势是相控阵天线的使用增加（图3）。相控阵天线由独立控制和组合以创建特定天线辐射方向图的众多天线组成。通过调节传递到天线每个单独元件的信号幅度和相位，可以在所需方向上使组合信号最大化。“波束成形”用于描述相控阵天线的这种使用。（此外，“光束转向”是指对光束进行动态控制以优化系统性能。）

图3.相控阵天线通过调整幅度和相位将信号转向所需的方向。图片：ADI公司。

使用相控阵天线，我们可以将信号转向想要的位置，以实现最大的效果。图4A示出了具有与单个用户设备（UE）对话的基站收发器（BTS）的无线系统。BTS使用波束成形来最大化发送给该UE的信号（基本波束成形）。图4B示出了更一般化的情况，其中BTS发出多个波瓣以优化向UE的信号，同时向相邻小区中的另一个UE创建空值。在这里，我们看到天线辐射方向图可以有多个波瓣和凹口。

图4.波束控制的范围从使用单个天线/接收器对到处理许多用户设备的蜂窝塔。图片：爱立信。

如图4C所示，可以将MIMO和波束成形结合起来以获得更大的效果。可以调整天线方向图以优化MIMO利用的多径传播。图4C中的系统示出了由BTS服务的一个UE，因此这被称为单用户MIMO（SU-MIMO）。图4D示出了具有为不同UE服务的多个天线瓣的多用户场景（MU-MIMO）。模式中也可能存在空值，以减少来自附近小区中UE的干扰。显然，这种MU-MIMO方案可能导致支持所有UE的复杂天线辐射方向图。请记住，UE通常处于运动状态，因此BTS需要实时进行调整。图4的重点放在向UE发送的BTS（下行链路）上。UE必须在上行链路侧发送回BTS，这是一个相应的挑战。

总结

MIMO完全是关于空间复用的，利用信道中的多条路径来提高数据通量。无论是否使用MIMO，波束成形是一项附加技术，可以使用相控阵天线来改善系统性能。这两种技术结合使用将无线信道的性能发挥到极致。