纽约大学模拟器将5G技术推向现实

我最近听说过纽约大学 Tandon工程学院的CATTNYU WIRELESS成员的一个惊人的技术魔法:一个可以模拟无线信道的原型,也可以作为奖励,多天线前端。
这个纽约大学团队的成员,Aditya Dhananjay博士,博士后研究员,以及教师Sundeep Rangan和Dennis Shasha,已经能够实现业内迄今为止没有人能够做到的事情。一些业内专家已经考虑过5G仿真器,但成本太高,特别是由于数百mmWave天线阵列具有相控阵波束形成的笨重复杂性,需要多个电缆线路将相控阵天线连接到信道仿真器。使问题进一步复杂化的是,首先将相控阵天线连接到电缆几乎是不可能的。
模拟器
历史上,信道仿真器一直是测试和设计无线系统的黄金标准。我与Dhananjay博士交谈,看看他们是如何在软件中完成这项惊人的技术壮举的。所需的唯一硬件将是由National Instruments商业现货软件无线电(SDR)硬件/软件制造的机箱,包含ADC,DAC,FPGA等。NI系统提供了极大的灵活性和基带处理能力,使开发人员能够推动mmWave系统原型设计的发展。


图片由Tandon工程学院纽约无线公司提供
Dhananjay评论说,过去15年来仿真一直被用作无线设备设计和测试的标准工具,无论是Wi-Fi,3G还是4G,频道仿真都是必不可少的。现场试验非常耗时,您只能测试您希望设备运行的一小部分场景。Dhananjay说,仿真器的重点在于,不是发射器向空中发送信号而接收器从空中接收信号,您可以将发射器连接到仿真器。因此,它们不是从天线发出的信号,而是通过电缆从发射器到仿真器,然后仿真器修改信号就像它们已经越过可编程信道一样。
然后使用电缆再次将结果信号反馈给接收器。研究人员能够坐在他们的实验室中并对仿真器进行编程,以模拟这样的场景,例如,发射器是铁路轨道的一侧,接收器在200英里/小时的速度下位于行驶的列车内部,以了解发射器和接收器的功能在这样一个充满挑战的传播环境
5G标准化过程正在以突破性的速度发展,并且该过程的一部分是接受信道模型,其基本上是信号传播的数学表示。那些数学模型已经被纳入标准; 我们对这些信号如何通过空气传播有统计学的理解。这就是为什么现在是使用纽约大学模拟器的正确时机。学术界的公司和研究人员将测试他们的5G设计,并且通过标准化仿真通道实现这一点是有意义的,因为在几分钟之内就可以模拟数千个无线传播方案。
传统的模拟器
仿真在早期的3G和4G频段中的工作方式是,您可以从发射器到仿真器使用一些电缆,然后从仿真器到接收器的一些电缆 - 实际的电缆数量等于天线元件的数量在被测设备上。mmWaves中的波束成形将通过相控阵天线完成,该天线可具有极大数量的元件。可能存在一些具有1024个天线的基站设计,如果您尝试使用现有的仿真系统来尝试将它们与设备连接,则必须将1024条电缆从基站连接到仿真器,并且可能从仿真器到移动设备的64条电缆。这实质上会使仿真器在硬件成本和计算复杂性方面都非常昂贵。现有的范例不起作用。



传统的仿真器,由DUT执行波束成形操作。(图片由CATT,Tandon工程学院提供)
 


在上面所示的传统仿真器中,波束成形操作由DUT执行。发送器设备中的前端执行ux的波束形成操作并且接收器设备中的前端执行yz的波束形成仿真器的基本操作是x → y,其中x,yN-ary并且是RF,其中N是天线的数量。
 
纽约大学模拟器
在NYU仿真器架构中,波束成形实际上不是由发射器/接收器设备完成的。仿真器不仅可以模拟无线信道,还可以模拟发送器/接收器设备中的波束成形。通过组合波束成形的仿真和无线信道的仿真,结果证明仿真可以以显着更低的成本和计算复杂度来执行。NYU仿真器设计用于大N(天线数量)和B(带宽)。


NYU仿真器模拟无线信道以及发射器和接收器设备中的波束成形。(图片由CATT,Tandon工程学院提供)
 

新的NYU仿真器有效地模拟了无线信道以及发送器和接收器设备中的波束成形。如上所示,基本操作是u → z,其中u,zm-arym << Nu,z可以是基带,IF或RF。注意,m是数据流的数量,并且在模拟波束形成的情况下等于1。这是一种高度模块化和适应性强的架构。
仿真器可以处理多少个天线?
我向Dhananjay博士提出的第一个问题是,仿真器的天线数量是否有限制。他回答说没有限制。数学在传统仿真器中的工作方式是,您尝试仿真的通道的复杂性取决于两侧天线元件的数量。因此,作为示例,如果一个站点上有100个天线而另一个站点上有200个天线,则无线信道中的每个路径基本上由矩阵表示,其大小将为100×200。现在在NYU仿真器设计中,波束成形是仿真本身的一部分。通过将无线信道中每个路径的空间特征与来自发射器和接收器的波束形成矢量相结合,无线简档中的每个路径可以仅由1×1矩阵表示,而不是100×200矩阵!因此,如果您要模拟波束形成器而不是将它们物理地存在于被测设备上,您将只有一个1×1通道来模拟配置文件中的每个路径。这就是这个新模拟器正在做的事情。

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