所有5G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將使用MIMO（海量輸入，海量輸出）天線陣列和波束成形。許多5G系統(tǒng)將以毫米波（毫米波）頻譜工作。設(shè)計以毫米波頻率工作的MIMO陣列由于多種原因而具有挑戰(zhàn)性。系統(tǒng)級設(shè)計將是應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的最佳途徑。

毫米波信號具有困難的傳播條件和更大的路徑損耗。5G網(wǎng)絡(luò)需要在多用戶應(yīng)用中保持最大的系統(tǒng)靈活性。

如果在設(shè)計過程中將從天線陣列到RF鏈到信號處理的每個子系統(tǒng)都調(diào)整為系統(tǒng)，那么滿足這些和其他系統(tǒng)級性能要求將更容易。

設(shè)計者有兩種選擇波束形成的方法，一種比另一種更實用。如果成本和功耗在5G系統(tǒng)中不受限制，則可以為每個MIMO陣列元素添加專用的接收和發(fā)射路徑。這種“全數(shù)字”波束形成架構(gòu)將從系統(tǒng)級角度提供最大的靈活性，以在大型多用戶場景中形成波束。

然而，成本和功耗受到限制，并且會留下混合波束形成 - “混合”，因為模擬移相器與數(shù)字電路集成在一起。而且，無論何時將數(shù)字和模擬集成在一起，這是另一個建議采用系統(tǒng)級設(shè)計方法的地方。


對混合波束成形的需求混合波束
成形設(shè)計的主要目標(biāo)是在RF和數(shù)字域之間適當(dāng)劃分的架構(gòu)。該設(shè)計還包括滿足改善基站和用戶設(shè)備（UE）之間的虛擬連接的設(shè)計目標(biāo)所需的預(yù)編碼權(quán)重和RF相移組。

從系統(tǒng)角度來看，平衡是為了找到RF和數(shù)字波束形成之間的最佳劃分。分區(qū)是可能的，工程師可以高效地構(gòu)建系統(tǒng)，而無需在MIMO陣列元件和發(fā)送/接收（T / R）信號鏈之間實現(xiàn)單獨的映射。仍然可以實現(xiàn)足夠的靈活性以滿足多用戶場景。

移動到毫米波頻率的優(yōu)點之一是天線元件尺寸隨波長而變化。這種方法能夠以合理的物理尺寸實現(xiàn)大量元素。

權(quán)衡是每個元素的更多元素和更多RF連接增加了復(fù)雜性。陣列設(shè)計必須允許MIMO操作支持空間復(fù)用，從而實現(xiàn)更高的信道容量。這些因素都會增加復(fù)雜性，因為需要更多的硬件和控制。由于MIMO陣列中有大量的天線單元，因此設(shè)計也必須考慮到天線單元之間互耦的實際情況。

通過將多個陣列元素組合到子陣列模塊中來開發(fā)混合波束形成設(shè)計。AT / R模塊專用于較大陣列內(nèi)的子陣列，因此系統(tǒng)中需要較少的T / R模塊。可以選擇元素的數(shù)量和每個子陣列中的位置，以確保在一系列轉(zhuǎn)向角度范圍內(nèi)滿足系統(tǒng)級性能。這種方法直接轉(zhuǎn)化為較少的系統(tǒng)硬件。

利用混合波束成形實現(xiàn)的MIMO陣列實現(xiàn)了一系列空間處理能力。信號處理算法包括到達(dá)方向估計，波束成形和空間復(fù)用都可以使最終應(yīng)用成為可能。這些算法還有助于表征基站和UE之間的信道。

對于混合波束形成設(shè)計，在系統(tǒng)模型中包含全套系統(tǒng)組件以確保優(yōu)化的鏈路級系統(tǒng)性能也很重要。在系統(tǒng)制造之前了解設(shè)計選擇如何影響誤碼率（BER），頻譜效率和信道容量是至關(guān)重要的。選擇最有效的信號處理方式也很重要。為系統(tǒng)的每個部分建立模型使系統(tǒng)設(shè)計更容易。可以在項目生命周期的最低成本點嘗試創(chuàng)意。

從架構(gòu)的角度來看，混合波束成形分區(qū)系統(tǒng)可以通過多種方式形成。圖1顯示了典型的高級配置。

圖1可能的分區(qū)策略。來源：The MathWorks

在圖2中，我們可以看到，在發(fā)送側(cè)，T / R開關(guān)的數(shù)量，NTRF，小于N的天線元件的數(shù)量，小?。為了提供更大的靈活性，每個天線元件可以連接到一個或多個T / R模塊。另外，可以在每個T / R模塊和天線之間插入模擬移相器，以提供一些有限的轉(zhuǎn)向能力。

圖2RF和數(shù)字轉(zhuǎn)向的混合波束形成示例。來源：The MathWorks

接收端的配置類似，如圖2所示。該系統(tǒng)可以支持的最大數(shù)據(jù)流數(shù)NS是NTRF和NRRF中較小的一個。在這種配置中，不可能像在全數(shù)字情況下那樣對每個天線元件應(yīng)用數(shù)字權(quán)重。相反，數(shù)字權(quán)重只能應(yīng)用于每個RF鏈。在元件層面，信號由模擬移相器調(diào)整，這只會改變信號的相位。因此，預(yù)編碼和合并分兩個階段完成。由于這種方法在數(shù)字和模擬領(lǐng)域都進(jìn)行波束形成，因此被稱為混合波束形成。

5G MIMO陣列的開發(fā)具有挑戰(zhàn)性，但所需的混合波束形成系統(tǒng)設(shè)計可以在任何硬件構(gòu)建之前進(jìn)行建模。這種建模工作可以節(jié)省硬件成本，并節(jié)省設(shè)計和開發(fā)過程中的時間。設(shè)計問題可以在最早的階段被識別出來，在那里它們是最具成本效益的糾正方法。由此產(chǎn)生的系統(tǒng)設(shè)計可以實現(xiàn)完整的系統(tǒng)級需求。