本期为大家带来的是《通过 mMIMO 和精确波束形成技术发掘 5G 网络潜力》，本文聚焦 5G 大规模多输入多输出与波束形成核心技术，从高频通信传播痛点切入，完整讲解技术核心价值、波束形成数学原理、mMIMO 系统同步挑战，以及 TI 射频收发器的三大同步实现方案与对应器件选型。
引言 随着无线技术迭代，行业对高速率、低延迟的需求持续攀升。5G 凭借数十 Gbps 吞吐量与亚毫秒级延迟，支撑起 AR/VR、工业物联网、自主系统等前沿应用，而这一切离不开两大核心技术 —— 大规模多输入多输出（mMIMO）与波束形成。 mMIMO 通过大规模天线阵列实现空间复用，在不增带宽与功耗的前提下提升频谱效率与用户容量；波束形成则将射频能量精准聚焦于目标用户，抑制干扰、克服高频路径损耗。二者协同是 5G 实现高吞吐、低延迟组网的核心路径，也对射频收发器的时间同步与相位精度提出了严苛要求。 什么是5G mMIMO？ 5G MIMO 是 5G 网络系统中使用的无线通信技术。典型的 MIMO 无线电可能有 16 到 32 个发射和接收天线，而单个无线电单元中的 mMIMO 可能有 64、128 甚至更多天线。将这么多的天线封装到单个无线电单元中有助于为更多用户提供更高的数据速率。 对空间多路复用的基于 mMIMO 的 5G 网络支持可在不增加任何额外带宽或发射功率的情况下大幅提升通道容量。 5G mMIMO 和波束形成 波束形成是 5G 无线通信系统所需的主要技术之一。5G 超宽带频率在低于 6GHz 的频率范围和毫米波频段内运行。这种频谱容易受到较高的信号衰减和路径中物体的干扰，毫米波无法像 4G 那样轻松地穿透墙壁。因此，5G 需要波束形成才能在特定区域集中功率，从而实现高数据速率，尤其是在密集的城市部署中。请参阅图 1。 图 1 波束形成如何在人口密集的市区通过 5G 网络连接更多人 波束形成背后的数学原理 方程式 1 模型的信号在通道上传播，公式 2展示了详细的 H 矩阵。矩阵 H 中的每个元素 hmn 表示从每个发射天线 n 到每个接收天线 m 的复数增益。其中 ρ 是接收器处的信号，τ 是发射信号，矩阵 H 是通道特性矩阵。矩阵 H 表示每个通道的增益和相位响应。 方程式 1 公式 2 在线性预编码下，方程式 3 将发射信号 τ 计算为： 方程式 3 其中 s 是正在传输的符号，w 是线性预编码向量。 预编码向量通过调整每个传输通道的相对相位差来确定射束的方向。 要计算预编码向量，请估计 H 矩阵。每个发送器都必须具有确定的相对相位差；否则估计的 H 矩阵和计算的预编码向量将不成立。波束形成依靠传输信号的相位精度在接收器上建设性地组合这些信号。 图 2 通过调整时间同步天线之间的相位来形成波束（使用八通道收发器） 当无线电单元上有多个模拟前端器件时，同步来自一个 mMIMO 的多个传输信号的输出相位会变得很棘手。128 天线 mMIMO 系统将具有 8 到 16 通道模拟前端器件。 mMIMO 系统的当前挑战 在典型 5G mMIMO 收发器中，单个板承载多个射频收发器。对于 64 通道配置，该板可组装八个 8 通道收发器或四个 16 通道收发器。可靠的波束形成要求所有发送和接收路径在整个系统生命周期内保持相位同步，包括初始启动、模拟前端与应用特定集成电路 (ASIC) 或现场可编程门阵列 (FPGA) 之间的后续 JESD204B 和 JESD204C 链路重新初始化以及上电复位。这是所有无线电系统设计人员都会面临的根本挑战。确定的相对相位关系可确保复合天线阵列形成并可预测地控制波束。 利用嵌入到收发器中的数控振荡器 (NCO) 的内部相移功能，只能补偿多元件天线阵列中存在的任何残留静态相位偏移。由于此失调电压在启动周期、JESD 重新链接事件和下电上电期间保持不变，因此一次性 NCO 校准将对齐所有通道的相位，从而保持波束形成性能。但是，无线电上的所有射频收发器实现时间同步的基本需求仍然存在。 TI 的 AFE80xx 和 AFE81xx 系列射频集成电路包含多项特性，可帮助设计人员满足 mMIMO 要求。 使用单次 sysref 模式 大多数系统中的默认运行模式是连续 sysref 模式，其中 sysref 是周期性低频信号。但是，在 AFE8092、AFE8030、AFE8128、AFE8190、AFE8192 中，可以使用“单次”系统参考时钟 (sysref) 模式实现多器件同步。在单次模式下，sysref 信号是单个脉冲，它同时提供给电路板上的所有模拟前端。当所有模拟前端都在与基准时钟完全相同的时刻接收到 sysref 时，它们自然会实现相位同步。 实现此方法面临的挑战之一是如何实现将 sysref 和参考时钟的差分路由到电路板上的多个器件。在印刷电路板内的无线电级别，您需要将 sysref 和参考时钟路由的时序保留到相对于基准时钟的皮秒级。 如图 3 所示，使用 AFE8092、AFE8030、AFE8128、AFE8190 和 AFE8192 的单次 sysref 模式需要特定的时序控制。 图 3 单次 sysref 模式的时序图 通过 GPIO 使用通用时间戳信号对射频集成电路进行时间校准 也可以使用基于通用输入/输出 (GPIO) 的控制来启用 sysref 锁存。在此模式下，sysref 可以在连续 sysref 模式中运行。所有模拟前端器件都将在接收到基于 GPIO 的锁存使能信号后锁存至第一个基准时钟上升沿。所有后续脉冲都将被忽略。 这种方法只需要将 CMOS GPIO 信号路由到所有模拟前端，因此与单次 sysref 方法相比，此方法相对更简单，因为使用匹配的长度将差分信号路由到电路板上的多个模拟前端器件可能很有挑战性。同时，这种方法需要从主机的 ASIC 为每个器件同步分配一个 GPIO。如果主机 ASIC 或 FPGA 没有足够的 GPIO，则该方法不适用。 如图 4 所示，使用基于 GPIO 的控制对 AFE8092、AFE8030、AFE8128、AFE8190、AFE8192 使能 sysref 锁存需要特定的时序控制。 图 4 使用基于 GPIO 的控制使能 sysref 锁存模式的时序图 NCO 选择 实现相位同步的最简单方法是选择频率为系统参考频率整数倍的发送器和接收器 NCO。这种方法甚至适用于连续系统参考模式，因为不需要任何额外的机制来同步 NCO 即可在多个模拟前端器件上进行发送和接收。 如果对 NCO 频率施加的限制对于最终应用来说可接受，那么这种方法最合适，因为您可以在不更改现有硬件的情况下实现相位同步。如果模拟前端器件发生重新链接或下电上电，则需要遵循特定的软件序列。图 5 展示了在此模式下，即使所有模拟前端都锁存到不同的系统参考边沿也没有关系。 图 5 演示 NCO 频率如何等于系统参考频率的四倍的示例 结语 mMIMO 和波束形成技术的集成对于释放 5G 网络的全部潜力至关重要，能够实现出色的数据速率和超低延迟。利用大型天线阵列和精确的空间滤波，这些技术克服了高频信号传播的挑战，确保各种场景下的可靠和高吞吐量通信。如 3GPP 规范所述，5G 在 eMBB、CC、URLLC、mIOT 和灵活网络运行中的增强功能主要归功于 mMIMO 和波束形成的协同效应。 TI 的 AFE8092、AFE8030、AFE8128 和 AFE8190、AFE8192 收发器可帮助网络运营商支持从增强现实和虚拟现实、IIoT 到自主系统等各种无线应用。
