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新世代5G传输技术— 大规模MIMO 系统与波束合成技术

来源
2020-07-13 阅读:180
「第五代行动通讯(5th generation mobile networks, 5G)」, 具有同时 多使用者服务、高速资料传输及低时间延迟的特点。未来将大幅影响人们对行动通讯的使用方式。举例来说,因为多使用者且高速资料的服务能力,更多的使用者可同时传输大量的资讯,因此需要高速传输的多媒体或虚拟实境,成为未来普遍的技术;每一个感测器都可以轻易连上网路系统,并回传大量资讯,对于智慧城市、智慧家庭的需求有非常大的突破。另外,由于低时间延迟的特性,也可以让使用者有更快速反应时间,因此使用者拥有远距操作与互动的能力,举例而言,医生有机会透过网路操作基础检测仪器等。因此,使用者不需再购买高性能的电脑,只要一个可以上
网的装置,就可以使用云端快速伺服器所提供的各种服务。这一切固然十分美好,然而,要如何实现呢?简单来说,需要突破第四代 行动通讯(The fourth generation of mobile phone mobile communication technology standards, 4G)的系统特性。这种突破,存在一些物理上的限制,而最基本的限制,即电磁波传播频宽是有限的。使用者所产生的讯号到无线讯号传输,需要经过编码、
调变、解调变及解编码的过程。其中调变是将讯号转换到无线讯号的关键。大量的讯号传输,就是要在固定的时间内,可以传输越多的资讯。可想而知,在这种情况下,讯号的变化速度就会越快。因为讯号变化速度快,影响调变的频宽就会越宽。所以,在有限的频宽之下,要达到更快的速度就成不可能的任务。因此, 有2个解决方案,首先是毫米波频段 的使用,另外则是大规模多输入输出 (Massive MIMO)的技术。

毫米波频段的使用

以实际无线通讯系统的研发过程来看,电路的设计及製造难度与比例频 宽有关。假设载波为1吉赫(GHz) 的系统下拥有10 兆赫(MHz )的频宽和载波为10 GHz 系统下拥有100 MHz 的频宽的难度是类似的。因为两 者频宽和载波的比例,称作比例宽频, 都是 1∕100 ,频宽和载波的比例称为 比例频宽。在此思考概念下,越高频的系统,就会拥有越宽的频宽。以现 行通讯系统的频率来说,在 2013 年 的4G 频谱的标售中,最宽的频段为 35 MHz 。这 35 MHz 的频宽是由 若干个10 MHz 或 15 MHz 的频宽 组成。载波频率最低为700 MHz, 最高到1800 MHz。 以载波 700 MHz,一个通道10 MHz 的状况分 析,比例频宽最宽为1∕70。如果将 频率提升到28 GHz 之下,在 1∕70 的比例频宽下,则有 400 MHz 的频 宽。目前5G的毫米波频率有28、39 甚至 60 GHz的选择。但可以确定的 是,随着毫米波的使用,讯号的频宽一定会有大幅度的提升,进而加快传输速度。

大规模多输入输出的技术

MIMO技术的想法很直接,虽然频宽有限,但是如果同时发送多组讯号,对方收到这些讯号时有机会解算回来,便可能在同一个频宽内拥有更多传输容量。举一个例子,在设计多组 发射机(T1~Tn)及组接收机(R1~Rn) 时,由于每个发射机发射的讯号都可
以被每一个接收机收到,因此这整组 讯号,共有n×m种可能(图一)。新世代5G传输技术— 大规模MIMO 系统与波束合成技术 假设发射机独立发射已知的测试讯号给接收机后,接收机可以收到一个类似矩阵形式的电磁波通道特性:新世代5G传输技术— 大规模MIMO 系统与波束合成技术 因此,虽然每一个接收机收到的讯号都是所有发射机讯号的相加结果。但是有了这个矩阵之后,理论上只要做 到反矩阵的运算(假设 n=m),就 可以把每一个独立发射机所发射的讯号还原回来:新世代5G传输技术— 大规模MIMO 系统与波束合成技术 然而,在现实运用场景中,还有许多因素考量,如矩阵可逆性等,但基本精神都是要把这多对多的通道行为还原回来。

这项技术在无线网路 Wi-Fi 系统中 是很常见的手法。图二是一个基本的 Wi-Fi 基地台,其有3组天线,Wi-Fi 基地台发送3组独立讯号的天线,因 此,具有MIMO 功能的系统,会比 只有单一收发系统拥有较佳的通讯品 质。然而,在 5G 中,为了要满足同时多人高速上网的特点,就需要使用 多使用者MIMO 系统(Multi-User MIMO)的架构。...... 
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