天线结构对MIMO传输的影响

在NR中，由于使用的频段高，天线使用多面板结构是首选。为了构建大规模天线阵列，集成封装/贴片天线（AIP/AIT： integrated antenna in package/tile）是潜在的解决方案，因为它易于实现且成本低。

通常，一个面板内的天线元件在垂直/水平方向上均匀放置。多面板结构分为两类，取决于两个不同面板的相邻元件间距是否等于一个面板内天线元件的间距，如图1所示。

1） “均匀面板阵列”（UPA：Uniform panel array）：具有相同极化的天线单元在一个维度上均匀分布在整个面板阵列上，使得来自不同天线面板的两个相邻天线单元之间的空间与同一面板内天线单元之间的空间相同。

2） “非均匀面板阵列”（NUPA：Non-uniform panel array）：具有相同极化的天线单元在一维多个面板中非均匀分布，因此来自不同面板的两个相邻天线之间的空间大于同一面板中天线之间的空间。

根据目前的讨论，可以接受均匀面板阵列作为基线。而在现实生活中，非均匀天线阵列更为常见。当天线元件的数量增加时，电路元件和天线元件的布线复杂性增加。因此，很难在单个面板上形成超大规模的天线阵列。此外，由于硬件实现问题，一个面板的边缘通常大于面板内天线单元的间距。考虑到这些事实，需要支持均匀和非均匀面板阵列。

希望将多面板结构视为一个整体面板阵列，然后可以重用LTE-A中的传统FD-MIMO传输。然而，考虑到硬件问题，传输机制将有所不同。

1） 可以合理地假设一个面板内的TXRU使用相同的本地振荡器，并且理想地同步。因此，相位漂移不会发生在同一面板的天线元件上。然而，不同的面板可能使用不同的本地振荡器和PLL/ADC设备。因此，面板之间可能存在恒定或时变相位偏移。如果相位漂移足够小，可以做出理想的同步假设。否则，TXRU是非理想同步的，这与传统的MIMO传输不同。

2） 考虑从不同天线面板虚拟化的天线端口在不同波束中形成波束的情况，以实现灵活的波束控制。在不同的反射和折射情况下，波束会经历不同的信道增益、传输延迟和到达角。

综上所述，来自不同面板的天线端口可能会经历不同的大规模特性，包括相位偏移、平均增益、平均延迟，并且还具有不同的到达角和角度扩展。它会影响天线端口的QCL假设。

对于均匀面板阵列，面板紧密放置，并且相位偏移可以为零或非常小，这意味着传统FD-MIMO可以应用于其中。对于非均匀面板阵列，面板可以广泛放置。如果理想的同步仍然保持，或者相位误差能够满足要求，则可以应用传统传输。此外，为了获得空间分集增益，可以在面板之间进行相干传输。在这种情况下，可以假设来自不同天线面板的端口为QCL，即单个QCL。

除了相干传输，可以考虑更灵活的面板之间的合作方案。例如，如果采用非均匀的面板阵列，很难在面板之间实现理想的同步，天线端口将经历不同的大规模特性。因此，可以假设来自不同面板（波束）的天线端口为非QCL。在这种情况下，可以从不同的面板发送独立的数据流或不同的层，即非相干传输。在该方案中，来自不同面板或TRP的天线端口可能具有不同的QCL假设（所谓的多QCL假设）。

请注意，除了不同的TRP之外，还可以在一个TRP中的不同面板之间进行非相干传输。综上所述，对于不同的天线阵列结构，可以应用不同的传输和协作方案。即使在一个有多个面板的TRP内，传输机制也更灵活。

下面将讨论多面板结构的其他方面，包括UE波束赋形和天线面板HBF的硬件连接。为了更灵活的部署和更大的增益，TRP和UE应支持均匀/非均匀天线面板阵列。

由于天线阵列可以以小尺寸集成，因此UE也能够配备多个面板。UE侧的天线面板可以是均匀的或非均匀的。在现实中，非均匀面板结构更为常见。例如，天线面板将沿手机的上部和底部放置，如图2所示。在这种情况下，面板的相关性甚至很低。

这种天线结构为UE波束赋形提供了更大的灵活性，包括接收和传输。通过更大的面板间距，UE将能够同时形成多个接收/发射波束赋形，并且每个接收/发射波束赋形对应于一个独立的面板，这带来了多个好处。例如，如果UE可以同时形成多个波束，则可以减少用于波束对准的参考信号开销。此外，由于UE可以形成多个接收波束，当其中一个波束发生阻塞时，UE仍然可能从其他角度接收波束。对抗阻塞效应的另一种方法是通过分别使用不同的UE面板来解耦UE的上下行链路。这样，如果其中一条链路因阻塞而失败，则将通过另一条链路通知TRP或UE，同时可以进行快速链路恢复以保证可靠性。

另一方面，多面板UE可以更好地支持多点传输。例如，考虑非相干传输，其中不同的数据流从不同的波束传输，来自不同的TRP或在一个TRP的不同的面板。常规地，UE可以使用高级接收机（例如SIC接收机）来处理干扰并分离多个流。相反，多面板结构的NR-UE可以产生多个接收角，以识别不同的波束到达角。如果数据流从很大程度上分离的角度到达，UE可以使用独立的RF和更简单的接收机算法（例如MRC接收机）接收多个流。

在AIP/AIT中，可以使用不同的RF连接结构来实现不同的波束赋形架构，即数字波束赋形（DBF：digital beamforming）、模拟波束形成（ABF：analog beamforming）和混合波束形成（HBF：hybrid beamforming）。DBF提供更灵活的波束赋形，但成本增加。ABF可能以低成本提供较差的转向精度和灵活性。HBF是DBF和ABF之间的折衷。

AIP/AIT可能的HBF架构主要可分为3种类型：全连接架构、部分连接架构和混合架构。对于混合架构，将有两个独立的子阵列，每个子阵列中应用全连接架构。这样，当每个子阵列中的射频链数量不多时，混合结构将比部分连接结构具有更好的波束隔离和更灵活的波束图，并且成本和复杂性适中。这可能更适合于多用户MIMO传输情况。此外，一些射频链可以连接到单个或多个面板。在多面板情况下，可以使用RF链来形成更精细的波束，并且可以设计面板间DBF来更好地支持多层/多用户MIMO传输。