用于5G通信系统的波束成形

5G通信标准有望在未来十年内将无线数据容量提高一千倍。
但是,随着可以编码到单个信道上的数据量接近理论极限,它将需要频率,时间和空间复用的组合来创建从发送器到接收器以5G的高聚合速率获取数据所需的多个信道。移动通信系统以及其他无线系统。
我们有什么选择?我们可以借用WLAN中使用的MIMO(多输入,多输出)技术。我们可以利用监管机构将提供的新频段,包括一些毫米波长的频段。
我们可以开发技术来控制毫米波信号,从发送器到接收器创建更直接的链路,以抵消它们在自由空间中的强烈衰减。

使用更多天线解决路径损耗问题

为什么毫米波长会出现这样的衰减问题?考虑基站和智能手机之间的通信链路,以毫米波频率运行,其中智能手机具有各向同性天线(即,在所有方向上均匀地辐射和接收的天线)。发射天线和接收天线之间的路径损耗如[1]所示:
两个天线之间的无线传播路径损耗
&的NBP; 其中PRX和PTX是接收和发送的功率,GRX和GTX分别是接收和发送天线增益。路径损耗部分是由于当发射器和接收器之间的距离R增大时信号的能量扩散到增加的体积所引起的衰减,并且由1 /4πR2定义。路径损耗的另一个关键因素是接收天线可以捕获的能量,由其有效孔径(由λ2/4π项定义)控制,并随波长的平方收缩。
这意味着,例如,将信号频率从3GHz改变到30GHz(从而缩短信号的波长)会使路径损耗增加20dB。为了补偿,我们可以增加接收天线的数量,但是需要接收30GHz信号的100个天线元件才能实现相同的总阵列孔径,因此接收功率与3GHz的原始天线相同。

用于5G通信的天线阵列中的波束形成

你如何建造这样的天线阵列?最简单的形式由N个元素组成,这些元素以规则的间隔紧密地间隔开,距离为d(图1)。
一维天线阵列,可用于5G
图1:一维天线阵列,其中所有元素具有相同的相位,将其光束指向θ= 0度
如果这样的阵列中的所有元素都是各向同性的,具有相同的增益,并且用相同相位和功率的信号驱动,则所得到的光束将直接指向它们所安装的平面(即,在z方向上) )。当阵列元件d之间的距离是λ/ 2(波长的一半)时,合成场在图2中示出为θ,即z轴和观察方向之间的角度的函数。
一维天线阵列旁瓣图案
图2:一维天线阵列的旁瓣图案,其中所有元件具有相同的相位,在θ= 0度处产生光束。该数组由64个元素组成。
如果我们在相邻阵列元件之间应用相位差,则可以将光束指向另一个角度,例如20度,如图3所示。
具有相移的元件的一维天线阵列旁瓣图案
图3:相同的阵列,但所有元素在相位上移位以产生θ= 20度的光束
在这两种情况下,不希望的旁瓣信号与主波束一起形成。如果阵列元件间隔更宽,则旁瓣的强度增加,直到当分离距离d与信号波长λ匹配时,具有与主光束相同功率水平的不需要的光束出现在+90和-90度。在图4中,间隔距离d是信号波长的两倍,并且在±30度和±90度处产生了不需要的波瓣。这些波瓣通常是不需要的,因为它们增加了一个天线阵列干扰另一个天线阵列的可能性。
天线阵辐射模式的光栅波瓣
图4:当天线间距离超过波长时,阵列辐射图中出现光栅波瓣,在这种情况下d =2λ
实际上,不可能制造各向同性天线,因为所有物理天线都具有特定的天线方向图,因此限制了它们导电的能力。

模拟和数字波束成形

我们如何创建控制光束所需的相移?通过在每个天线前面使用移相器,可以在RF域中完成模拟波束成形,如图5所示。
天线模拟波束形成
图5:在模拟波束形成中,使用移相器操纵光束。只能生成一个数据流和一个波束
单个数据流由一组数据转换器和收发器处理。在收发器之后,发送数据流被分割为与阵列元素一样多的方式。每个分支中的信号通过移相器,被放大然后馈入阵列元件。
RF路径中的模拟波束形成简单并且使用最少量的硬件,使其成为构建波束形成阵列的最具成本效益的方式。缺点是系统只能处理一个数据流并产生一个信号光束。
数字波束成形,其中每个天线都有自己的收发器和数据转换器,可以处理多个数据流并同时从一个阵列生成多个波束,如图6所示。
用于5g移动通信的天线数字波束形成
图6:在数字波束成形中,通过基带处理来控制波束。可以同时生成多个数据流和波束
产生信号光束所需的相位差在基带中创建,基带也可以创建多个集合并将它们叠加在阵列元素上。这使得一个天线能够生成多个波束,每个波束具有其自己的信号并为多个用户服务,具有一个阵列和一组频谱资源。与模拟方法相比,这种方法需要更多的硬件并且对数字域中的信号处理造成更大的负担。

波束形成,海量MIMO和5G的信道状态信息

数字波束成形可以用于5G移动通信,并且当它们在视线内时可以将信号从发送器指向接收器。如果不是这样,用户只能通过建筑物,树木和其他环境特征散布的光束到达。
散射光束的路径损耗比视距光束多20到30dB,因此使用其中许多光束来确保接收器上散射信号的总和提供足够的能量来正确解释它们所承载的通信是有意义的。
这种低功率,散射光束仅在用户的位置建设性地干涉,附近的其他用户仅在其背景噪声略微增加时经历其信号。这意味着天线阵列可以为多个用户提供服务,每个用户都有多个被分散的波束,只要阵列中的元素数量超过用户数量。这被称为大规模MIMO。
通过在分开的建筑物,灯柱等上通过环境广泛分布的N个单独天线替换N个元件的天线阵列,可以进一步采用大规模MIMO进行5G移动通信。对分布式天线应用时间延迟确保信号对于每个用户只对他们的位置产生积极干扰。
如上所述,元件间距小于信号波长的天线阵列仅在不需要的方向上辐射非常少的能量。对于一组广泛分布的天线来说情况并非如此,其信号可以被配置为在用户的位置处建设性地干扰,但是不会在其他方向上破坏性地干扰,因此可能导致干扰和功率损耗。
可以从信道状态信息导出确定形成波束所需的相移所需的信息。获得这种情况的一种方法是让用户设备发送导频音,然后设置基站以测量信号在用户设备和基站的天线单元之间跟随的各种路径之间的相移。
为此,从发送方到接收方的路径必须与从接收方到发送方的路径相同,这意味着它们必须处于相同的频率,因此整个系统必须使用时分双工。并且在天线之间相移信号只能补偿一个频率上的不同路径长度。对于大信号带宽,应增加导频频率的数量以正确映射信道行为。
我们可以得出结论,数字波束成形为未来的5G通信系统提供了最通用的解决方案,但也是最昂贵和最复杂的实现。因此可以预期,前5G移动系统将使用某种模拟和数字波束成形的组合,从而可以在系统性能和成本之间进行适当的权衡。
参考文献:
[1] CA Balanis,Antenna Theory,Analysis and Design,3rd ed。2005年,John Wiley&Sons,ISBN:0-471-66782-X
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关于作者

Rik Jos拥有荷兰乌得勒支大学物理学博士学位。1986年,他加入飞利浦半导体,开发功率放大器应用的射频技术,并于2002年被任命为飞利浦半导体技术研究员。自2004年起,他还是瑞典查尔姆斯大学的兼职教授。他曾在飞利浦和恩智浦半导体的RF创新领域担任领导职务。自2015年起,他成为荷兰Ampleon的一员,致力于RF功率技术的创新,特别是宽带隙半导体和放大器架构,如开关模式功率放大器。他目前的研究活动主要集中在5G毫米波技术和架构上。
Ampleon成立于2015年,拥有50年的RF功率领导力。该公司最近从恩智浦半导体公司分拆出来,开始着手利用RF的全部数据和能量传输潜力。Ampleon在全球拥有1,250多名员工,致力于为客户创造最佳价值。其创新且一致的产品组合可为各种应用提供产品和解决方案,如蜂窝基站,无线电/电视/广播,雷达,空中交通管制,烹饪,照明,工业激光和医疗。

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