用于5G MIMO阵列的混合波束成形

所有5G系统网络都将使用MIMO(大规模输入,大规模输出)天线阵列和波束成形。许多5G系统将以毫米波(mmWave)频谱运行。由于多种原因,设计以毫米波频率工作的MIMO阵列具有挑战性。系统级设计将成为应对这些挑战的最佳方法。

毫米波信号具有困难的传播条件和更大的路径损耗。5G网络需要在多用户应用程序中保持最大的系统灵活性。

如果从天线阵列到RF链到信号处理的每个子系统在设计过程中被调整为系统,则更容易满足这些和其他系统级性能要求。

设计人员有两种波束成形选择,一种比另一种更实用。如果在5G系统中不限制成本和功率,则可以为每个MIMO阵列元件添加专用接收和发送路径。这种类型的“全数字”波束成形架构将从系统级角度提供最大的灵活性,以在大型多用户场景中形成波束。

然而,成本和功率受到限制,并且留下了混合波束成形 - “混合”,因为模拟移相器与数字电路集成在一起。无论何时集成数字和模拟,这都是建议采用系统级设计方法的另一个地方。


对混合波束成形的需求混合波束
成形设计的主要目标是在RF和数字域之间正确划分的架构。该设计还包括满足改善基站和用户设备(UE)之间的虚拟连接的设计目标所需的预编码权重和RF相移的集合。

从系统的角度来看,平衡是在RF和数字波束成形之间寻找最佳分区。分区是可能的,并且工程师可以有效地构建系统,而无需在MIMO阵列元件和发送/接收(T / R)信号链之间实现单独的映射。仍然可以实现足够的灵活性以满足多用户场景。

移至mmWave频率的一个优点是天线元件尺寸随波长而变化。这种方法能够以合理的物理尺寸实现大量元素。

权衡是每个元素的更多元素和更多RF连接增加了复杂性。阵列设计必须允许MIMO操作支持空间复用,这反过来又能够实现更高的信道容量。这些因素都会增加复杂性,因为需要更多的硬件和控制。利用MIMO阵列中的大量天线元件,该设计还必须考虑天线元件之间的互耦现实。

通过将多个阵列元件组合成子阵列模块来开发混合波束形成设计。AT / R模块专用于较大阵列中的子阵列,因此系统中需要较少的T / R模块。可以选择元件的数量以及每个子阵列内的定位,以确保在一系列转向角度上满足系统级性能。这种方法直接转换为较少的系统硬件。

利用混合波束成形实现的MIMO阵列实现了一系列空间处理能力。包括到达方向估计,波束成形和空间复用的信号处理算法都使得最终应用成为可能。这些算法还有助于表征基站和UE之间的信道。

对于混合波束成形设计,在系统模型中包括全套系统组件以确保优化的链路级系统性能也很重要。了解设计选择如何影响系统制造前的误码率(BER),频谱效率和信道容量至关重要。选择在最有效的地方执行信号处理也很重要。为系统的每个部分建立模型使系统设计更容易。可以在项目生命周期中的最低成本点尝试创意。

从架构的角度来看,混合波束形成分区系统可以以各种方式形成。图1显示了典型的高级配置。


图1可能的分区策略。资料来源: The MathWorks


图2中,我们可以看到,在发送侧,T / R开关的数量,N TRF,小于N的天线元件的数量,小Ť为了提供更大的灵活性,每个天线元件可以连接到一个或多个T / R模块。此外,可以在每个T / R模块和天线之间插入模拟移相器,以提供一些有限的转向能力。


图2带RF和数字转向的混合波束成形示例。资料来源: The MathWorks

接收器侧的配置类似,如图2所示系统可支持的最大数据流数N S是N TRF和N RRF中的较小者在这种配置中,不再可能在每个天线元件上应用数字权重,就像在全数字情况下那样。相反,数字权重只能应用于每个RF链。在元件级,信号由模拟移相器调整,模拟移相器仅改变信号的相位。因此,预编码和组合分两个阶段完成。因为这种方法在数字和模拟域中执行波束成形,所以它被称为混合波束成形。

5G MIMO阵列开发具有挑战性,但可以在构建任何硬件之前对所需的混合波束成形系统设计进行建模。这种建模工作可以节省硬件成本,以及设计和开发过程中的时间。设计问题可以在最早阶段确定,在这些阶段,它们是最经济有效的纠正方法。由此产生的系统设计可以实现完整的系统级要求。

您可以在此处查看混合波束成形工作流程的详细设计示例,包括波束图案视图,加权和相移计算此外,白皮书混合波束成形为大规模MIMO相控阵系统图1说明了使用MATLAB和Simulink提供的功能,为5G的大规模MIMO天线阵列设计混合波束成形的过程。

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