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            比5G網速還快100倍 大規模MIMO和OAM復用淺析

              關鍵詞:massive MIMO,OAM復用技術

            按照目前業界普遍觀點,4G能夠以100Mbps以上的速度下載,5G理論下行速度為10Gbps(相當于下載速度1.25GB/s),6G理論下載速度可達每秒1TB。5G預計2020年開始正式商用,但6G的技術遠遠沒有成型,靠什么技術能讓速率比5G再快100倍呢?作為專業無線通信技術專家,新竹科技一直聚焦行業發展趨勢,本文將淺析兩種最具潛力的可大幅提高無線通信質量和帶寬的技術:大規模MIMOmassive MIMO)和OAM復用Orbital Angular Momentum,軌道角動量)。

               在談這兩種技術前,有必要先了解一下更為基礎的、已經被廣泛應用的無線通信技術──MIMO。

            MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線,使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收,從而改善通信質量。它能充分利用空間資源,通過多個天線實現多發多收,在不增加頻譜資源和天線發射功率的情況下,可以成倍的提高系統信道容量,顯示出明顯的優勢。

            MIMO技術大致可以分為兩類:發射/接收分集和空間復用。傳統的多天線被用來增加分集度從而克服信道衰落。具有相同信息的信號通過不同的路徑被發送出去,在接收機端可以獲得數據符號多個獨立衰落的復制品,從而獲得更高的接收可靠性。對于發射分集技術來說,同樣是利用多條路徑的增益來提高系統的可靠性。在一個具有m根發射天線n根接收天線的系統中,如果天線對之間的路徑增益是獨立均勻分布的瑞利衰落,可以獲得的最大分集增益為mn。

            MIMO作為關鍵技術目前廣泛應用于4G、wifi等無線通信領域,但5G僅僅用傳統的MIMO是不夠的,必須采用更負責的技術──massive MIMO。

            為什么要采用massive MIMO技術呢?

            假設基站與手機的距離為R,基站天線的發射功率為Ptx,那么,手機天線接收到的信號功率Prx是多少呢?

            公式如下:

                如何才能提高手機接收信號強度呢?根據上述公式,可用的手段包括:

              加發射功率Ptx;②縮短手機與基站間的距離R;③增加波長(使用低頻段);④增大接收天線增益;⑤增大發射天線增益。

            對于①②③,由于受客觀條件限制,不能無限增大功率,縮短基站與手機的距離意味著建站增加費用,低頻段資源是有限的,企圖用改良天線增加增益這種方法來補償因高頻段和距離導致的信號衰減猶如杯水車薪,唯一的辦法是增加天線數量。所以,大規模天線技術勢在必行!

            MIMO技術經歷了從SU-MIMO(單用戶MIMO)向MU-MIMO(多用戶MIMO)的發展過程。

            一、大規模MIMOmassive MIMO)技術簡介

            大規模MIMOmassive MIMO, large-scale MIMO),顧名思義就是將傳統MIMO的天線數增加,現有業界的仿真大多采用100-256根天線。MIMO可以分為SU-MIMO (Single-User MIMO) MU-MIMO (Multi-User MIMO), Massive MIMOMU-MIMO的升級。

            說到大規模MIMO最常想到的就是 T. L. Marzetta2010年那篇文獻中指出的:“by increasing the number of antennas at the base station, we can average out the effects of fading, thermal noise and intra-cell interference.”即通過增加基站端的天線,可以平均掉衰落、噪聲、小區內干擾等,在分析方法上體現為大數定理、中心極限定理的應用,這樣帶來的一個好處是:大規模MIMO系統的信號處理方法不需要再采用復雜的非線性設計來避免上述提到的干擾,而只需要簡單的線性設計即可實現較好的系統性能。比如在預編碼方法研究方面(預編碼/波束賦形在Martin JIANG的回答中有詳細的介紹):傳統的MIMO系統中一般研究非線性預編碼方案,比如DPCdirty-paper coding,臟紙),而大規模MIMO中一般采用線性預編碼,比如MRT(最大比發送)、ZF(迫零)、MMSE(最小均方誤差)。DPC這類算法的復雜度較高,隨著基站天線數量的增加,若采用非線性預編碼會導致基站的計算復雜度激增,顯然DPC這類方法不再適用于大規模MIMO。此外,Lund University做了一些實際的測量(見文獻“Linear pre-coding performance in measured very-large MIMO channels”),實驗結果表明,在大規模MIMO系統中,采用低復雜度的線性預編碼即可實現DPC預編碼的98%的性能。

            大規模天線技術有哪些好處?

            1)、當然是大幅度提高網絡容量。

            2)、因為有一堆天線同時發力,由波速成形形成的信號疊加增益將使得每根天線只需以小功率發射信號,從而避免使用昂貴的大動態范圍功率放大器,減少了硬件成本。

            3)、大數定律造就的平坦衰落信道使得低延時通信成為可能。

            大規模天線技術與波束賦形技術(Beamforming):

            理解大規模天線首先需要了解波束賦形技術。傳統通信方式是基站與手機間單天線到單天線的電磁波傳播,而在波束賦形技術中,基站端擁有多根天線,可以自動調節各個天線發射信號的相位,使其在手機接收點形成電磁波的疊加,從而達到提高接收信號強度的目的。

            從基站方面看,這種利用數字信號處理產生的疊加效果就如同完成了基站端虛擬天線方向圖的構造,因此稱為“波束賦形” (Beamforming)。通過這一技術,發射能量可以匯集到用戶所在位置,而不向其他方向擴散,并且基站可以通過監測用戶的信號,對其進行實時跟蹤,使最佳發射方向跟隨用戶的移動,保證在任何時候手機接收點的電磁波信號都處于疊加狀態。

            打個比方,傳統通信就像燈泡,照亮整個房間,而波速成形就像手電筒,光亮可以智能地匯集到目標位置上。普通全向天線,覆蓋所有區域,波速成形后的天線,將能量集中到一個方向。

            在實際應用中,多天線的基站也可以同時瞄準多個用戶,構造朝向多個目標客戶的不同波束,并有效減小各個波束之間的干擾。這種多用戶的波束賦形在空間上有效地分離了不同用戶間的電磁波,是大規模天線的基礎所在。

            大規模天線技術正在解決的瓶頸問題:

            首先,想要發揮所有天線的潛力,基站端需要精確的信道信息,直觀理解即需事先知道不同目標客戶的位置。如何將與用戶間的這一信道信息精準地告訴每一根天線是一件很棘手的事情。目前,最可行的方案是基于時分雙工(TDD)的上行和下行鏈路的信道對稱性,即通過手機向基站發送導頻,在基站端監測上行鏈路,基于信道對稱性,推斷基站到手機端的下行鏈路信息。

            其次,為了獲得上行鏈路信息,手機終端需向基站發送導頻,可是導頻數量總是有限的,這樣不可避免地需要在不同小區復用,從而會導致導頻干擾。理論推導表明,導頻干擾是限制大規模天線實用化的最終屏障。

            另外,很多大規模天線波束賦形的算法基于矩陣求逆運算,其復雜度隨天線數量和其同時服務的用戶數量上升而快速增加,導致硬件不能實時完成波束賦形算法?焖倬仃嚽竽嫠惴ㄊ枪タ诉@一難題的一條途徑。

            二、OAM復用(Orbital Angular Momentum,軌道角動量)

            近年來,為緩解頻譜資源緊張與無線業務需求日益增長之間的矛盾,各種無線電技術應運而生。其中,軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)技術獨辟蹊徑,將傳統平面波扭曲成渦旋電磁波,利用不同模態渦旋電磁波間的正交性增大無線通信容量,引起了學界的廣泛關注。

            OAM的存在雖早已被理論證明,但直至21世紀初才首先在光波段取得進展:1909年,Poynting從理論預測了電磁場角動量的力學效應;1992年,Allen發現OAM是螺旋相位光束的自然屬性;2004年,Gibson等人提出利用光的不同模態可進行信息的獨立調制和傳輸。隨著OAM在光通信中的應用日趨成熟以及射頻頻譜資源日趨飽和,該技術開始被應用于射頻段。2011年,同頻帶下不同OAM模的兩路信號在442m外被成功接收,初步驗證了OAM提升信道容量的可行性。雖然還存在方向性欠佳、遠距離接收困難等局限,但OAM能極大提升頻譜利用率的可觀前景仍使相關研究方興未艾,相應收發天線的設計也成為目前的重點。

            1、OAM原理簡介

            長期以來,無線通信的信息調制主要基于電磁場的線性動量,在時域、頻域上進行。然而,如經典電動力學理論所述,電磁場不但傳播線性動量,也傳播角動量J(Angular Momentum,AM)。軌道角動量是區部于電磁波電場強度的另一個重要物理量,它為電磁波提供了除頻率、相位和空間之外的另一個維度,為人們帶來了一個新的視角去認識和利用電磁波。

            受螺旋相位因子的影響,具有OAM的電磁波被稱為“渦旋電磁波”,沿著傳播方向呈螺旋狀。具有OAM的電磁波的相位旋轉次數稱為OAM模式。不同的OAM模式相互正交,在同一頻點上可傳輸多路正交信號,從而提升頻譜效率和信道容量。這就是OAM復用技術。

            日本NTT宣稱,這是全球首個利用OAM技術成功實現100Gbps無線傳輸。NTT設計了一個結合OAM復用和MIMO技術的OAM-MIMO復用技術。

            演示系統的天線如下:

            天線由四個同心均勻圓形陣列(UCA 1-4)和一個位于中心的單天線陣元(UCA0)組成。UCA 0-4生成-2、-1、0、1、2五種不同OAM模式正交復用,并通過MIMO技術對相同模式內的復用信號分離,最終實現可多達21路復用數據信號同時傳輸,大幅提升傳輸速率。

            2、軌道角動量天線的常見形式

            實現OAM技術,天線技術是至關重要的,常見的天線形式如下:

            1)、螺旋相位板天線(Spiral Phase Plate,SPP)

            2)、透射光柵天線

            3)、陣列天線,進一步又分為等距圓陣(Uniform Circular Array,UCA)和反射陣。

            4)、多點饋電的圓形諧振腔天線

            5)、人工電磁表面天線

            3、OAM技術展望

            當前,射頻OAM的應用基本限于高頻(如光波、毫米波)短距離通信,如室內環境的高速無線傳輸等。業界正致力于實現1000 m內視距條件下OAM的可靠傳輸,高效可靠的天線是其中的關鍵。OAM走向實用,在天線方面還有如下問題:方向圖特性和抗干擾能力欠佳。

            新竹微評:massive MIMO技術已經在5G上得到應用,并且還在進一步發展。在如何提高頻譜資源利用率這一長期課題上,OAM的應用標志著現代無線通信已向一個全新的方向邁出了第一步,其發展空間巨大。但這兩種技術都非常復雜,對天線設計等提出了更高的挑戰。為了克服這些挑戰,世界頂尖的研究機構和各大設備商正加緊研發。相信這兩種技術必將日臻完善,更好地應用于未來的無線系統中。

             

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