可提高信噪比和通信容量的5G天线阵

Antenna Arrays 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）

图1：使用BPSK调制的LOS（视距）通信系统的误码率（BER）。

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E_b/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SISO LOS信道慢的多。

图2：10个散射体的信道。

图3：衰落信道的BER（1,000帧，10,000bits/帧）。

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。

图4：多路径信道的误码率。

当在MISO系统中存在多径时，情况会变得更有趣。在这种情况下，如果信道对于发射机是已知的，则提高SNR的策略类似于MRC。应该对发射阵列的每个天线辐射的信号进行加权，使得信号可以在接收机处相干叠加。可以在图4中看到发射分集增益：与SIMO多径信道相比，MISO多径系统的性能并不是很好。这是因为只接收到一个信号，而发射功率却分配到了多条路径上。虽然可以增大发射信号的功率，以获得等效的增益，但这会增加额外的系统成本。

即使发射机不知道信道特性，仍然能通过空时编码来利用分集特性。众所周知，Alamouti码就是一种可以在信道未知情况下实现分集增益的编码方案。²

MIMO多径信道

我们接下来关注这样一个多径MIMO信道，其环境中的散射体数量大于发射和接收阵列中的阵元数。这类环境通常被称为富散射环境。如图2所示，由于散射体的存在，发射阵列和接收阵列之间有多条传输路径。假设信号传输中，在每条路径中只经历散射体的单次反射。

有两种方式来利用MIMO信道。第一是探索分集增益。若信道是已知的，如图5所示，给出了分集增益作用下，MIMO信道与SIMO信道的BER曲线。在多径情况下，MIMO信道的分集增益并不比SIMO信道的分集增益大多少。这是因为在单流系统中为获得最佳分集增益，通常仅使用MIMO信道中的主模式。这意味着信道中还有其他模式没被利用。

图5：多径传输的分集增益。

提高MIMO容量

是否有其它替代方法来利用信道呢？答案是空间复用。空间复用的理念是，在具有众多散射体的MIMO多径信道中，同时发送多个数据流。例如，由于散射体的存在，4×4 MIMO信道的信道矩阵变为满秩矩阵。这意味着可以一次发送多达四个数据流。空间复用的目的不在于提高信噪比，更多的在于增加数据吞吐量。

空间复用的思想是将信道矩阵分离成多个模式，从而可以从接收信号中独立地恢复出发射阵列中的不同阵元发送的数据流。为了实现这一点，数据流在传输之前被预编码，然后在接收之后再合并。每个接收阵列元接收的信息，是发射阵列元的信息的简单缩放，这意味着其在信道内表现为多个正交子信道。第一个子信道对应于主要的发送和接收方向，因此分集增益没有损失。还可以使用其他子信道来携带信息，如图6所示的前两个子信道。虽然第二个流的增益比第一个流低，但由于它使用次要的子信道，系统总体数据吞吐量得到了改善。

图6：基于空间复用的BER。

在MIMO系统中，发送数据时最直观的方法是在发射阵元间均匀分配功率。然而，如果发射机知道信道特性，则可以进一步提升信道的容量。在这种情况下，发射机可以使用经典的注水算法³，选择子信道的发射功率，使其SNR达到期望值。图7显示了两个功率分配方案之间的系统容量比较。结果证实，与均匀功率分配相比，注水算法提供了更高的系统容量。随着系统级SNR提高，两者间的差异变小。²

图7：功率分配方案的比较。

从波束赋形到预编码

这些不同的技术间有什么相互关联呢？一方面，对于LOS信道，使用阵列的好处是提高了SNR，阵列增益由波束赋形实现。另一方面，如图8所示的MIMO信道所示，该图仅描绘了第一个数据流，不具有明显的主波束。图9表示了散射体的数量减少到一个的场景。因此，LOS信道的情况，或更准确地说是单散射体的情况可以被认为是预编码的特殊情况。当发射和接收阵列之间只有一条路径可用时，预编码简化为波束赋形。

图8：具有多个散射体的MIMO。

图9：单散射体系统。

总结

阵列处理可用于提高MIMO无线通信系统的通信质量。根据信道的特性，阵列可通过阵列增益或分集增益来提高信噪比，或通过空间复用提高容量。文章中的图是使用MATLAB^®和Phased Array System Toolbox生成的。⁴

参考文献

1. D. Tse and P. Viswanath, Fundamentals of Wireless Communications, Cambridge University Press, 2005.

2. “Introduction to MIMO Systems,” MathWorks, www.mathworks.com/help/comm/examples/introduction-to-mimo-systems.html.

3. A. Paulraj, Introduction to Space-Time Wireless Communication, Cambridge University Press, 2003.

4. “Improve SNR and Capacity of Wireless Communication Using Antenna Arrays,” Mathworks, www.mathworks.com/help/phased/examples/improve-snr-and-capacity-of-wireless-communication-using-antenna-arrays.html.