MIMO技术在5G移动通信阵列天线建模研究

林 伦，魏 康

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

当下时代无线通信网络技术的不断创新，推进了全国5G无线通信技术在市场的应用。根据全球卫星定位系统获取的数据对我国移动通信网络的建设进行预测，5G通信技术将在2020年具备基础的商用条件，并在2022年以前实现无线网络的全覆盖[1]。5G移动通信的宗旨是为互联网用户提供更加高效的服务体验，并将在未来社会中实现以超过4G移动500倍的网络容量与15 Gb/s的速度迅速占领市场，这将是我国移动产业发展与建设面临的巨大挑战。在此社会背景下，MIMO技术被提出，此种技术又被称为大规模矩阵天线技术，是5G移动通信背景下衍生的一项新技术，此项技术可实现在不增加网络宽带的条件下，拓宽互联网的容量与频谱利用率，目前已被我国视为支撑5G移动时代的关键技术。为了满足5G的基站建设需求，提出了通信阵列天线排列方式，此项工作是一个规模较大的工程，即便借助先进的硬件配置，其工作所耗费的人力物力仍相对较大。因此，本文将基于MIMO技术的应用，开展5G移动通信阵列天线建模方法的设计，使5G移动网络可更好的为用户提供服务。

1 MIMO技术的优势与应用原理

MIMO技术在实际应用中，不仅可实现通信电源的多线路输入/输出，相比于传统单天线技术，此项技术又具备不增加宽带额外资源，便可提升移动通信容量特点。为了满足日益更新的网络通信需求，研究学者不断对MIMO技术进行开发，即在给定的传输线路中，如何实现通信的更高效率或更可靠的传输行为。

MIMO技术在5G移动通信的应用中可分为两种类型，分别为分集与空间复用，分集是使用多条有线传输天线，执行信号传递或信号接收工作，此种传输方式是为了提升传输过程的可靠性，通过降低传输信道不稳定因素，提高传输过程的稳定能力[2]。空间复用与其恰好相反，它是利用空间中多条独立天线进行网络信号的传输，此种方式在很大程度上拓宽了数据的传输路径，提升数据传输的效率。

2 5G移动通信阵列天线建模方法

2.1 大规模阵列仿真建模算法

由于5G移动通信的天线规模较大，阵元数据量加大，因此在设计移动通信阵列天线建模方法前，应先建设一个可负载大规模阵列的无线数据平台[3]。并引入MIMO技术，设计一个可实现快速建模的仿真算法，用户可通过在平台中输入直接单元规模数据，通过调用计算的方式进行建模数据提取。在设计算法过程中，为了降低瑞利信道衰落现象，应先列出当前5G移动通信工作空间中所有的单元待执行的任务数据，并使用由.cgf配置文件没提供的实施监视行为，设计建模程序，对数据源中的矢量数据集进行摘取（包括阵列维度数据、阵列单元数据、不同单元在阵列中的间距等）。

在列出所选数据源所属的矢量数据集中，选择需要执行通信进程文件。在此行为上进行建模参数的仿真（包括中心频率点仿真、扫描范围频率规划仿真、频点个数预测等），根据参与的不同仿真结果，设置不同的阵列字段，选取一个字段值作为建模过程脚本信息的元值[4]。此过程中需要注意的是：选择的字段范围需要与5G移动通信阵列的脚本运行文件相匹配。根据上述提出的算法设计需要，将移动网络空间环境作为算法在平台有效运行的条件（算法中相关支持参数均实施相同操作），导出基于MIMO技术的大规模阵列仿真建模算法，以如下公式表示。

式中，Q表示5G移动通信网络；K表示信息传输路径；h表示建模指令；n表示扫频站点；i表示信息反馈次数。根据上述计算公式，生成建模指令，正确选择信息传输路径，完成快速建模算法的设计。

2.2 规划5G移动通信矩阵天线下行链路模型建立流程

使用上述设计的快速建模算法，借助一维大规模阵列快速计算流程，对矩阵天线建模流程进行规范化设计。设计过程中可将建模行为按照顺序划分为上行链路与下行链路，由于上行链路的信息传输不受到外界通信网络的干扰，因此本章将以下行链路为例，对其建模流程进行规划。

在标准建模行为范围内，借助商业全波电磁仿真工具，以获取的网络通信数据作为矩阵天线下行链路模型建立的参照，设定模型的表达式为U，按照国家互联网建设标准，进行全局阵列通信能力等级的评价。并整合初始特征促进作用定量数值，采用建立核函数的方式进行模型中下行链路变量的综合统计，分析不同传输路径中数据的权值占比，对数据进行由大到小的排序，数值越大表示模型无线通信能力越强。以此作为建模的依据，建立模型表达式如式（2）所示：

式中，r表示建模消耗的阵列分量；p表示为5G移动通信网；Y表示为定位跟踪的数据选择传输路径。根据上述公式，利用建模指令对阵列天线中排列的“3×3”点云数据进行简化处理，降低其在模型中占用的内存空间。并选择与模型中心距离较远的点云数据，对其进行删除并重复上述操作，将模型中的多组数据拼接在同一个网格当中，删除原有点云数据[5]。重新取样后利用数据点之间的密度，对后续建模所需数据的调节，以此完成5G移动通信阵列天线建模方法的研究。

3 对比实验

实验选取5个5G移动通信阵列天线为研究对象，利用此次设计方法与传统方法对该5个5G移动通信阵列天线模型进行建立。实验中利用MIMO技术合成了一维、二维阵列天线在零度和90°平面内的远场辐射方向模型，将两种方法建立的一维列阵的3×1列阵方向图、二维列阵的3×3列阵方向图，利用HFSS软件将其与天线各组参数进行计算分析，计算两种方法的重合系数值，重合系数值越高，则表示建立的模型与天线相似程度越高，建模方法的准确性越高。实验将重合系数作为实验结果，对两种建模方法进行对比分析，实验结果如表1所示。

从表1可以看出，设计建模方法建立的模型与天线的重合系数值高于传统方法，说明基于MIMO技术的5G移动通信阵列天线建模方法准确性较高，更满足5G移动通信阵列天线建模需求。

表1 两种方法建立模型重合系数值对比

4 结 论

本文在传统5G移动通信阵列天线建模方法的基础上，引用MIMO技术对其进行了优化与创新，有效提高了5G移动通信阵列天线建模的重合系数，有利于解决5G移动通信阵列天线的建模难题，具有广泛的应用空间。