MIMO技術在5G移動通信陣列天線建模研究

林 倫，魏 康

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

當下時代無線通信網絡技術的不斷創新，推進了全國5G無線通信技術在市場的應用。根據全球衛星定位系統獲取的數據對我國移動通信網絡的建設進行預測，5G通信技術將在2020年具備基礎的商用條件，并在2022年以前實現無線網絡的全覆蓋[1]。5G移動通信的宗旨是為互聯網用戶提供更加高效的服務體驗，并將在未來社會中實現以超過4G移動500倍的網絡容量與15 Gb/s的速度迅速占領市場，這將是我國移動產業發展與建設面臨的巨大挑戰。在此社會背景下，MIMO技術被提出，此種技術又被稱為大規模矩陣天線技術，是5G移動通信背景下衍生的一項新技術，此項技術可實現在不增加網絡寬帶的條件下，拓寬互聯網的容量與頻譜利用率，目前已被我國視為支撐5G移動時代的關鍵技術。為了滿足5G的基站建設需求，提出了通信陣列天線排列方式，此項工作是一個規模較大的工程，即便借助先進的硬件配置，其工作所耗費的人力物力仍相對較大。因此，本文將基于MIMO技術的應用，開展5G移動通信陣列天線建模方法的設計，使5G移動網絡可更好的為用戶提供服務。

1 MIMO技術的優勢與應用原理

MIMO技術在實際應用中，不僅可實現通信電源的多線路輸入/輸出，相比于傳統單天線技術，此項技術又具備不增加寬帶額外資源，便可提升移動通信容量特點。為了滿足日益更新的網絡通信需求，研究學者不斷對MIMO技術進行開發，即在給定的傳輸線路中，如何實現通信的更高效率或更可靠的傳輸行為。

MIMO技術在5G移動通信的應用中可分為兩種類型，分別為分集與空間復用，分集是使用多條有線傳輸天線，執行信號傳遞或信號接收工作，此種傳輸方式是為了提升傳輸過程的可靠性，通過降低傳輸信道不穩定因素，提高傳輸過程的穩定能力[2]。空間復用與其恰好相反，它是利用空間中多條獨立天線進行網絡信號的傳輸，此種方式在很大程度上拓寬了數據的傳輸路徑，提升數據傳輸的效率。

2 5G移動通信陣列天線建模方法

2.1 大規模陣列仿真建模算法

由于5G移動通信的天線規模較大，陣元數據量加大，因此在設計移動通信陣列天線建模方法前，應先建設一個可負載大規模陣列的無線數據平臺[3]。并引入MIMO技術，設計一個可實現快速建模的仿真算法，用戶可通過在平臺中輸入直接單元規模數據，通過調用計算的方式進行建模數據提取。在設計算法過程中，為了降低瑞利信道衰落現象，應先列出當前5G移動通信工作空間中所有的單元待執行的任務數據，并使用由.cgf配置文件沒提供的實施監視行為，設計建模程序，對數據源中的矢量數據集進行摘取（包括陣列維度數據、陣列單元數據、不同單元在陣列中的間距等）。

在列出所選數據源所屬的矢量數據集中，選擇需要執行通信進程文件。在此行為上進行建模參數的仿真（包括中心頻率點仿真、掃描范圍頻率規劃仿真、頻點個數預測等），根據參與的不同仿真結果，設置不同的陣列字段，選取一個字段值作為建模過程腳本信息的元值[4]。此過程中需要注意的是：選擇的字段范圍需要與5G移動通信陣列的腳本運行文件相匹配。根據上述提出的算法設計需要，將移動網絡空間環境作為算法在平臺有效運行的條件（算法中相關支持參數均實施相同操作），導出基于MIMO技術的大規模陣列仿真建模算法，以如下公式表示。

式中，Q表示5G移動通信網絡；K表示信息傳輸路徑；h表示建模指令；n表示掃頻站點；i表示信息反饋次數。根據上述計算公式，生成建模指令，正確選擇信息傳輸路徑，完成快速建模算法的設計。

2.2 規劃5G移動通信矩陣天線下行鏈路模型建立流程

使用上述設計的快速建模算法，借助一維大規模陣列快速計算流程，對矩陣天線建模流程進行規范化設計。設計過程中可將建模行為按照順序劃分為上行鏈路與下行鏈路，由于上行鏈路的信息傳輸不受到外界通信網絡的干擾，因此本章將以下行鏈路為例，對其建模流程進行規劃。

在標準建模行為范圍內，借助商業全波電磁仿真工具，以獲取的網絡通信數據作為矩陣天線下行鏈路模型建立的參照，設定模型的表達式為U，按照國家互聯網建設標準，進行全局陣列通信能力等級的評價。并整合初始特征促進作用定量數值，采用建立核函數的方式進行模型中下行鏈路變量的綜合統計，分析不同傳輸路徑中數據的權值占比，對數據進行由大到小的排序，數值越大表示模型無線通信能力越強。以此作為建模的依據，建立模型表達式如式（2）所示：

式中，r表示建模消耗的陣列分量；p表示為5G移動通信網；Y表示為定位跟蹤的數據選擇傳輸路徑。根據上述公式，利用建模指令對陣列天線中排列的“3×3”點云數據進行簡化處理，降低其在模型中占用的內存空間。并選擇與模型中心距離較遠的點云數據，對其進行刪除并重復上述操作，將模型中的多組數據拼接在同一個網格當中，刪除原有點云數據[5]。重新取樣后利用數據點之間的密度，對后續建模所需數據的調節，以此完成5G移動通信陣列天線建模方法的研究。

3 對比實驗

實驗選取5個5G移動通信陣列天線為研究對象，利用此次設計方法與傳統方法對該5個5G移動通信陣列天線模型進行建立。實驗中利用MIMO技術合成了一維、二維陣列天線在零度和90°平面內的遠場輻射方向模型，將兩種方法建立的一維列陣的3×1列陣方向圖、二維列陣的3×3列陣方向圖，利用HFSS軟件將其與天線各組參數進行計算分析，計算兩種方法的重合系數值，重合系數值越高，則表示建立的模型與天線相似程度越高，建模方法的準確性越高。實驗將重合系數作為實驗結果，對兩種建模方法進行對比分析，實驗結果如表1所示。

從表1可以看出，設計建模方法建立的模型與天線的重合系數值高于傳統方法，說明基于MIMO技術的5G移動通信陣列天線建模方法準確性較高，更滿足5G移動通信陣列天線建模需求。

表1 兩種方法建立模型重合系數值對比

4 結 論

本文在傳統5G移動通信陣列天線建模方法的基礎上，引用MIMO技術對其進行了優化與創新，有效提高了5G移動通信陣列天線建模的重合系數，有利于解決5G移動通信陣列天線的建模難題，具有廣泛的應用空間。