所有5G系統網絡將使用MIMO（海量輸入，海量輸出）天線陣列和波束成形。許多5G系統將以毫米波（毫米波）頻譜工作。設計以毫米波頻率工作的MIMO陣列由于多種原因而具有挑戰性。系統級設計將是應對這些挑戰的最佳途徑。

毫米波信號具有困難的傳播條件和更大的路徑損耗。5G網絡需要在多用戶應用中保持最大的系統靈活性。

如果在設計過程中將從天線陣列到RF鏈到信號處理的每個子系統都調整為系統，那么滿足這些和其他系統級性能要求將更容易。

設計者有兩種選擇波束形成的方法，一種比另一種更實用。如果成本和功耗在5G系統中不受限制，則可以為每個MIMO陣列元素添加專用的接收和發射路徑。這種“全數字”波束形成架構將從系統級角度提供最大的靈活性，以在大型多用戶場景中形成波束。

然而，成本和功耗受到限制，并且會留下混合波束形成 - “混合”，因為模擬移相器與數字電路集成在一起。而且，無論何時將數字和模擬集成在一起，這是另一個建議采用系統級設計方法的地方。


對混合波束成形的需求混合波束
成形設計的主要目標是在RF和數字域之間適當劃分的架構。該設計還包括滿足改善基站和用戶設備（UE）之間的虛擬連接的設計目標所需的預編碼權重和RF相移組。

從系統角度來看，平衡是為了找到RF和數字波束形成之間的最佳劃分。分區是可能的，工程師可以高效地構建系統，而無需在MIMO陣列元件和發送/接收（T / R）信號鏈之間實現單獨的映射。仍然可以實現足夠的靈活性以滿足多用戶場景。

移動到毫米波頻率的優點之一是天線元件尺寸隨波長而變化。這種方法能夠以合理的物理尺寸實現大量元素。

權衡是每個元素的更多元素和更多RF連接增加了復雜性。陣列設計必須允許MIMO操作支持空間復用，從而實現更高的信道容量。這些因素都會增加復雜性，因為需要更多的硬件和控制。由于MIMO陣列中有大量的天線單元，因此設計也必須考慮到天線單元之間互耦的實際情況。

通過將多個陣列元素組合到子陣列模塊中來開發混合波束形成設計。AT / R模塊專用于較大陣列內的子陣列，因此系統中需要較少的T / R模塊。可以選擇元素的數量和每個子陣列中的位置，以確保在一系列轉向角度范圍內滿足系統級性能。這種方法直接轉化為較少的系統硬件。

利用混合波束成形實現的MIMO陣列實現了一系列空間處理能力。信號處理算法包括到達方向估計，波束成形和空間復用都可以使最終應用成為可能。這些算法還有助于表征基站和UE之間的信道。

對于混合波束形成設計，在系統模型中包含全套系統組件以確保優化的鏈路級系統性能也很重要。在系統制造之前了解設計選擇如何影響誤碼率（BER），頻譜效率和信道容量是至關重要的。選擇最有效的信號處理方式也很重要。為系統的每個部分建立模型使系統設計更容易。可以在項目生命周期的最低成本點嘗試創意。

從架構的角度來看，混合波束成形分區系統可以通過多種方式形成。圖1顯示了典型的高級配置。

圖1可能的分區策略。來源：The MathWorks

在圖2中，我們可以看到，在發送側，T / R開關的數量，NTRF，小于N的天線元件的數量，小?。為了提供更大的靈活性，每個天線元件可以連接到一個或多個T / R模塊。另外，可以在每個T / R模塊和天線之間插入模擬移相器，以提供一些有限的轉向能力。

圖2RF和數字轉向的混合波束形成示例。來源：The MathWorks

接收端的配置類似，如圖2所示。該系統可以支持的最大數據流數NS是NTRF和NRRF中較小的一個。在這種配置中，不可能像在全數字情況下那樣對每個天線元件應用數字權重。相反，數字權重只能應用于每個RF鏈。在元件層面，信號由模擬移相器調整，這只會改變信號的相位。因此，預編碼和合并分兩個階段完成。由于這種方法在數字和模擬領域都進行波束形成，因此被稱為混合波束形成。

5G MIMO陣列的開發具有挑戰性，但所需的混合波束形成系統設計可以在任何硬件構建之前進行建模。這種建模工作可以節省硬件成本，并節省設計和開發過程中的時間。設計問題可以在最早的階段被識別出來，在那里它們是最具成本效益的糾正方法。由此產生的系統設計可以實現完整的系統級需求。