大規模天線無線信道模組化 概述 | 帶你讀《大規模天線波束賦形技術原理與設計 》之十九

第2章 大規模天線理論

第 3 章

大規模天線無線信道模組化

本章主要對大規模天線無線信道模組化進行分析和介紹。大規模天 線波束賦形技術對于未來低頻段和高頻段無線移動通信系統都 是不可或缺的關鍵技術，用于高層樓宇覆寫、室外宏覆寫、熱點覆寫 和無線回傳等場景，起到提升頻譜效率、擴充覆寫等作用。對這些場 景進行抽象概括，得到了信道模組化的場景，分别為 UMa（Urban Macro）、 UMi（Urban Micro）、RMa（Rural Macro）和 Indoor Office 場景。本章重點探讨了引入垂直次元後的三維信道模組化，包括大尺度模組化和小 尺度模組化，并在最後給出了信道模組化的完整流程。

| 3.1 概 述 |

多天線技術作為4G和 5G 系統實體層的基本構成之一，主要可以分為空間複用、傳輸分集和波束賦形 3 種方式。它可以充分利用空間特性，通過在發送 端和接收端使用多根天線進行資料的發送和接收，對于提高資料傳輸的峰值速率、擴充覆寫、抑制幹擾、增加系統容量、提升系統吞吐量都發揮着重要作用。

傳統的 MIMO 傳輸方案受限于傳統的基站（BS，Base Station）天線架構， 一般隻能在一個次元内（通常是水準次元）實作對信号空間分布特性的控制， 無法充分利用空間信道中垂直次元的自由度，未能充分挖掘出 MIMO 技術對于 改善移動通信系統整體效率與性能及最終使用者體驗的潛能。天線設計架構的演 進以及有源天線技術的實用化發展，直接推動着多天線技術向着更高次元發展， 為進一步提升系統性能提供了更多可能。

為滿足 5G 對高速資料傳輸率和大容量的需求，需要尋找更大傳輸帶寬的 頻譜資源和研究高頻譜效率的傳輸技術。高頻段是潛在提供更大傳輸帶寬的頻 譜資源，最大傳輸帶寬可達到 1GHz 以上。高頻段的信号傳播有差別于現有的 蜂窩傳輸頻段（主要在 6GHz 以下）的特點。

（1）波長短，适用于大規模天線波束賦形技術。高頻段的波長較短，如 30GHz 的頻段，其波長為 10mm。波長短使得天線的尺寸變小，進而在有限的天線面 積内可排列更多的天線。以 30GHz 頻段為例，當天線間距為 0.5 波長時，具 有 8×8 矩陣 64 根天線的天線面積為 4cm×4cm，與傳統的天線相比，尺寸變 得較小。是以，在高頻段通信中通常在發送端和接收端都使用大規模的天線陣 列來提升性能。

（2）衰落大、覆寫小，自适應波束賦形技術是關鍵技術。高頻段由于頻段 高、波長短，其在視距環境（LOS）和非視距環境（NLOS ）下都存在信号衰 減大的問題。對于 LOS 環境，由于更高的頻率和更大的大氣損耗等，在相同的 發射功率時，通常要比低頻段的衰減大 20dB 以上。對于 NLOS 環境，由于高 頻段的波長短，其反射和散射性能要比低頻段性能更差，相對于低頻段的 NLOS 信号，信号衰減更大。為了滿足蜂窩系統的覆寫需求，提升信号傳輸距離，在 發送和接收端都需要采用自适應波束賦形技術，通過大規模天線陣列提供的波 束賦形增益提升高頻段信号的傳輸品質和覆寫距離。

未來無線移動通信系統，無論是工作在 6GHz 以下的傳統蜂窩網絡頻段， 還是工作在 6～100GHz 的高頻段，基于大規模天線陣列的多天線技術都是不可 或缺的關鍵技術。本章主要探讨對移動通信系統中的大規模天線波束賦形技術 進行驗證、優化和設計所需的無線信道模組化。本章 3.2 節和 3.3 節介紹大規模 天線技術的部署場景以及信道模組化場景，作為信道模組化的基礎；3.4 節和 3.5 節 介紹坐标系模型和天線模型；3.6 節和 3.7 節分别讨論大尺度和小尺度信道模組化 的方法以及相關參數；3.8 節介紹信道模組化的完整流程。

| 3.2 部署場景 |