5G的MIMO和波束赋形

5G支持高达100GHz的载波频率，这在无线传播领域带来了许多挑战。随着载波频率的增加，由于相对于波长的固定天线尺寸变小，路径损耗增加。然而，在较高的载波频率下较小的天线尺寸意味着更多的天线将安装在相同的区域中。可以通过使用更多的天线来克服随载波频率而增加的路径损耗，而不必增加天线阵列的总体物理尺寸。此外，随着载频增加到大约10GHz以上，衍射将不再是主要的传播机制。超过10GHz，反射和散射将是非视线传播链路最重要的传播机制。此外，随着载波频率的增加，传播到建筑物中的穿透损耗趋于增加，这可能导致建筑物内覆盖对于部署在室外的gNB来说不切实际。

大规模天线阵列对于在NR系统中提供高覆盖率和容量性能至关重要。大规模MIMO系统提供了几个好处：通过使用高增益自适应波束赋形来增强覆盖范围，通过使用高阶空间复用来增强容量。大规模天线阵列的覆盖增强能力对于缓解较高载频下的传播挑战至关重要。容量增强能力对于以高密度部署（例如，在较低载波频率下）运行的干扰受限系统将是重要的。此外，MIMO技术可以将能量转向所需的方向，而较窄的波束宽度可以在系统中产生较少的干扰。通过使用有源天线系统（AAS：active antenna system），还可以实现更好的能效和更好的业务条件适应性。

对于5G接入，单用户、多用户和波束赋形解决方案是必不可少的。由于不同的载波频率和部署场景，可以设想使用不同的传输和接收技术。图1和图2所示的全数字基带、混合阵列、模拟/RF阵列解决方案将以各种方式在gNB和UE的不同实现中使用。此外，以前向兼容的方式指定在特定载波频率和带宽上使用哪种技术是困难的，并且在标准化方面并不可取。然而，理解不同的候选架构对于定义与天线阵列架构无关的系统非常重要。如图1和图2所示，三种主要阵列架构之间的差异在于波束赋形部署发生的位置（如射频/模拟域与基带/数字域）。

基带架构：在图1的基带架构中，每个天线组件或天线端口都有一个收发器单元，波束赋形操作在上混频到RF之前发生在基带数字域中。基带架构提供了高度的灵活性，例如跨OFDMA子载波的频率选择性波束赋形，但代价是在每个天线元件后面使用收发器单元。这种架构是LTE的选择，因为天线端口的数量（例如大约32个端口）与天线成本之间的关系仍然可以管理。

RF架构：在cmWave或mmWave频带中使用大规模天线阵列带来了各种挑战，因为系统带宽高，需要大量天线元件来克服这些频带中的传播挑战。在大规模阵列中，在每个天线元件后面使用单独的收发器变得非常困难，这不仅是因为成本原因，而且因为宽带宽需要非常高速的A/D和D/A处理器，这些处理器具有显著的功耗要求。考虑到可以使用相当多的端口，例如256个，简单地将相同的MIMO基带架构扩展到高频带目前在经济上是不可行的。因此，基带架构的替代方案是全RF架构，如图1所示，其中MIMO和波束赋形的控制在模拟域中的RF处执行，RF组件也具有相移和潜在的增益调整能力。与基带架构相比，使用RF架构的频率选择性波束形成通常是不可行的，因为在整个信号带宽上在RF处应用发射权重。

混合架构：全基带和全RF架构的替代方案是混合架构，其中MIMO和波束赋形的控制在RF和基带之间分离。图2显示了混合架构的两个示例，其中除了基带MIMO预编码之外，在RF处对多个流进行波束赋形。在混合架构中，每个RF波束由收发器驱动，多流波束加权或预编码在基带应用于收发器的输入。图2的左图显示了“完全连接”阵列配置的混合架构，其中多个RF波束赋形权重向量并行应用于阵列的所有天线元件。相反，右图显示了“子阵列”配置的混合架构，其中每个RF权重向量应用于天线元件的唯一子集。子阵列配置的一个优点是在天线元件后面缺少求和装置。混合架构提供了额外的灵活性，并且超过了全RF架构，因为基带发射部分可以跨信号带宽进行调整以进一步优化性能。此外，利用基带预编码提供多波束传输的能力有望增强容量以及覆盖性能。

从标准化的角度来看，支持不同的体系结构并不一定要求在实际实现中使用任何特定的体系结构。考虑到混合架构设计的方法可以用基带架构来支持。当然，涉及在模拟RF域中形成的波束的方法也可以在基带数字域中实现，尽管实际实现问题可能有很大不同。然而，为数字架构设计的方法不一定能够用RF或混合架构有效地或实际地实现。一刀切的策略不适用于不同的频带。

天线阵列尺寸：随着载波频率的增加，波长减小，天线元件的尺寸通常与波长成比例。其结果是，随着载波频率的增加，能够适应给定固定区域的天线数量显著增加。从另一个角度来看，随着载波频率的增加，具有固定数量天线元件的阵列的尺寸显著减小。下面的表1显示了作为频率函数的具有8行、8列和2个偏振的阵列的大小（假设共定位交叉偏振元件的2D阵列）。下面的表2从3.5GHz的128天线2D阵列所需的面积开始，并显示了作为载频函数的可适应该面积的天线数量。在这两个表中，假设天线之间的间距为一个，其波长为载波频率。

天线阵列配置：均匀矩形面板阵列模型涉及使用由多个子面板组成的单个面板阵列，其中每个子面板是中定义的2D交叉极化阵列。这种布置通常由每个子面板的两个收发器单元组成，并且每个收发器单元通常馈送跨越一个子面板内的共极化元件的波束。然而，在一些部署中，可能需要具有全向覆盖的站点，在这种情况下，定义涉及交叉极化元件的圆形阵列的附加配置可能是有利的。

天线阵列校准：通常，波束赋形方案需要某种形式的校准，以确保指向所需方向的良好波束模式。由于存在特定于供应商的校准方案，可能不需要天线阵列校准的标准化支持。

最近，在LTE Rel-13和Rel-14中，为支持更大的天线阵列和更多的天线端口做了大量工作。FD-MIMO和eFD MIMO工作旨在支持LTE Rel-13和Rel-14的多达32个天线端口。对于NR系统，Rel-13和Rel-14中的FD-MIMO和eFD MIMO机制应被用作MIMO和波束赋形设计的起点，重点是在严重的覆盖挑战和容量挑战场景中提供对具有混合架构的大规模天线阵列的有效支持。

由于支持高达100 GHz的载波频率带来的挑战，SU/MU-MIMO和波束赋形解决方案的支持应在天线端口数量、收发器端口数量、天线阵列架构和物理天线元件数量方面完全可扩展。此外，UE应该在对SU/MU-MIMO和gNB处的波束赋形操作的最小假设下部署，这可以通过使用用户特定参考符号来支持。除非不能以其他方式实现显著的增益，否则传输和接收技术以及gNB天线配置应当对UE透明，并且应当避免特定于阵列的CSI报告方案。

在更高的载波频率中，通常理解需要公共信道波束赋形来获得足够的小区覆盖。将这种操作的支持限制在特定的载波频率是不明智的。相反，应该在所有频率中利用公共信道波束赋形来改善覆盖和小区检测。

对于UE特定数据信道的传输，NR系统应提供SU-MIMO和MU-MIMO两者的灵活支持。数据传输策略应与图1所示的基带和混合架构兼容，尽管该系统应与gNB和UE使用的特定架构无关。

可以使用基于波束的框架来实现混合架构的使用，该框架包括两步传输方案，其中第一步（多波束波束赋形）涉及识别最适合UE的一个或多个波束，其中波束可以在RF或基带上实现，尽管在更高的载波频率下，RF实现可能是优选的。这些波束可以经由互易导出，或者从一组预定波束（小区特定）中选择，例如，具有UE波束选择/反馈过程的波束grid。第二步（多波束预编码）是对这些波束进行预编码或聚合（最可能在基带），以实现所需的传输秩。应当注意，这种两步传输方案（多波束波束赋形，然后是多波束预编码）可以由基带或混合架构支持，并且该标准可以并且应该不受gNB和UE使用的架构的影响。

对于多波束赋形的第一步（例如，基于互易性的波束或具有波束选择反馈的供应商特定波束grid），启用供应商特定的解决方案也很重要。因此，波束赋形参考信号应该是优选的。在利用具有波束选择反馈的波束grid的示例中，应注意，网格中的波束数量通常取决于阵列在水平和垂直维度上的大小。因此，该标准应为不同数量的梁提供灵活透明的支撑。

对于多波束预编码的第二步，应当研究各种选项，包括例如利用具有码本反馈的用户特定波束成形CSI-RS，利用经由UL探测参考信号的互易性，或者作为低复杂度/低开销解决方案的简单开环预编码。

最后，为了增强覆盖性能，NR系统应该为UE在UL上的发射波束赋形和在DL上的接收波束赋形提供灵活的可扩展支持，而不会引入大的系统开销。