可提高信噪比和通信容量的5G天线阵 留言
可提高信噪比和通信容量的5G天线阵
AntennaArrays for 5G Improve SNR and Capacity
Honglei Chen和Rick Gentile，MathWorks，Natick，Mass，USA。
当今无线通信系统的重要一个目标是在受限的辐射功率和运营成本的约束下，为尽可能多的用户提供尽可能高的通信数据速率。提高SNR（信噪比）是提高数据速率的关键因素。如果能复用信道资源，则可以为更多的用户提供服务。目前已经使用了许多算法，通过实现时间、频率、编码空间的复用，来提高SNR。
天线阵列已成为5G无线通信系统标准配置的一部分。由于这类系统的天线阵列中有多个天线单元，通常又被称为多输入多输出（MIMO）通信系统。天线阵列可以利用收发通道的冗余来提高信噪比。天线阵还可以复用系统中的空间信息，扩大系统覆盖范围1。以下部分将阐述MIMO通信系统的优点及设计中的权衡。下述例子中，假定系统工作频率为60GHz。
LOS传输中的阵列增益
最简单的无线信道是基于视距（LOS）传输。这种信道通常存在于乡村地区。在这种应用中，天线阵列可以提高接收机信号的SNR，从而降低通信链路的误码率。图1显示了以下通信系统采用二进制相移键控（BPSK）调制时的误码率（BER）：
· 单输入单输出（SISO）
· 多输入单输出（MISO）和单输入多输出（SIMO）
· 多输入多输出（MIMO）
为了简化分析，我们使用间距半波长的四阵元均匀线性阵列（ULA）。实际上，阵元的数量可以扩展，阵列构形也可以不同，但都可以进行同样的分析。
在MISO和SIMO系统中，我们假定可以调整一端的天线阵列，使之对准另一端的单天线，以提高SNR。预先对准的情况下，MISO系统的性能与SIMO系统的性能相当，SNR都比SISO系统提高了6 dB。视距传输下的MIMO系统则可同时获得发射和接收阵列带来的增益。图1中的误码率表明，和预期的一样，发射阵列和接收阵列各自贡献了6dB的增益，因此与SISO系统相比，MIMO系统总增益提高了12 dB。
多径信道的分集增益
因为LOS信道不适用所有场合，我们接下来看看多径衰落环境的情况。首先看在信道中随机放置10个散射体的例子。这会导致从发射机到接收机有10条散射路径，如图2所示。简单起见，假定沿着所有路径传输的信号都在相同的符号周期内到达接收端，这是一个具有平坦频率响应的信道。图3显示了该衰落信道的误码率。由于多径传输引起的衰落，随着Eb/N0（每比特能量与噪声能量谱密度比）的增加，该信道的误码率下降速度比SISOLOS信道慢的多。
SIMO / MISO多径信道
现在，我们来看看在多径传输中，用四天线阵列替代发射或接收端的单天线的情形。首先，在SIMO系统中，可以通过匹配信道响应的方式来获得最佳合并权重。这种方案通常被称为最大比合并（MRC）。接收到的信号不是使用波束指向矢量来加权，取而代之的是，由信道响应的复共轭来给出接收阵列权重。这里假设接收端已知信道响应。如果信道响应未知，则可以用导频信号来进行估计。
图4显示了两个重要的结果。首先，与SISO系统相比，SIMO系统的信噪比增加了6dB。第二，与SISO系统的BER曲线相比，SIMO系统BER曲线的斜率更陡峭。斜率变化表现出的增益通常被称为分集增益。
原文始发于微信公众号（actMWJC）
