3 d天线结构使用统一的高效Full-Directional多用户传输的三角形的数组

文摘

为了增加系统容量的5 g移动通信系统中,多输入多输出(MIMO)传输技术使用大规模阵列在毫米波乐队吸引了大量的关注。应对各种类型的接收器将在5 g通信如用户设备(UE)在小细胞,室内物联网(物联网)设备在不同的地点,和无人机进行空中导航、新类型的天线阵列需要全方位的传播能力。现有典型的电池板阵列天线结构,然而,限制他们的传播角度在水平和垂直方向。在本文中,我们提出采用三维(3 d)数组结构由多个三角面板了高效的大规模传播的下一代无线系统。我们分析波束形成统一的特征三角形数组(UTA)适合这样的3 d数组配置和现在的一个基本适用于UTA电报密码本。使用天线结构与多个UTA面板、多用户传输性能评估证明的有效性的建议。

1。介绍

大规模的多输入多输出(MIMO)传播有效地提高数据速率和系统容量的增加5 g移动通信系统的频谱效率(1- - - - - -3]。通过使用毫米波频段,天线元素之间的间距是减少到使整个数组大小更小,而准确的波束形成可以执行使用大量的天线元素(4- - - - - -6]。Codebook-based梁训练方法提出了对毫米波传输(7,梁管理策略使用此类培训已采用5 g的新收音机(NR) [8]。现有的码书设计在3 gpp标准是基于均匀线性阵列(这种)和均匀的矩形阵列(ura所言),利用波束形成向量选择从离散傅里叶变换(DFT)矩阵9),包括发布14 16-Tx URA所言的规范(10]。修改传统DFT-based出来也被提议应用现有的电报密码本匀速圆周阵列(UCAs) (11,12]。

许多不同形式的无线收发器需要连接到支持机械化的通讯(MTC)、物联网(物联网)设备,和vehicular-to-everything (V2X)沟通5 g NR。随着无线设备的位置变得多元化,天线阵列能够传送和接收光束在更广泛的方向。而“full-directional”波束形成技术生成和轨道梁在一个各向同性的方式变得越来越重要,目前天线阵列具有明确的限制来执行这样的波束形成。三维(3 d)数组结构在不同形状可以用来克服的局限性,与大量的天线元素执行精确波束形成目标方向。这种传统的3-sector模型使用或ura所言提供有限波束形成角度方位和天顶方向。用人UCAs可以克服的缺点退化性能部门边界附近的统一传输信号方位角度从圆定位天线元素(13- - - - - -17]。通过垂直叠加UCAs,一系列筒式结构可以添加构造beam-tilting可控性在一定范围的天顶角度(18]。扩大范围的信号传输所有的方位和天顶角度,在球形数组可用于均匀和稳定波束形成四面八方(19]。为了构建能传输信号的天线阵列的三维空间,测地线圆顶已用于卫星通信除以常规多面体(20.- - - - - -23]。

设计3 d天线阵结构需要实际考虑包括波束形成方法,信道反馈信号策略和硬件实现复杂度。尽管全数字波束形成能够准确和灵活的波束形成目标方向,它要求每个天线射频链的连接元素,不仅昂贵而且有限的数组的空间约束。为了解决这个问题,一个数组组成的子阵或面板天线元素,多数的天线捆绑的面板连接到相同的射频链(24- - - - - -26]。因此,它是必要的,以确定高效建设的基本面板形状三维数组。虽然在是使用最广泛的天线面板类型,构建3 d阵列组成的URA所言只涉及设计的挑战。建设三维数组的另一种方式是使用天线子阵的三角形相邻天线元素之间的间距,称为均匀三角数组(UTA)。尽管一些早期分析的物理块设计uta [27,28),利用3 d三角形阵列的波束形成进行了广泛的调查。

在本文中,我们提出利用uta构造多面板3 d数组MIMO传输效率和现在设计的例子作为下一代基站天线阵列。特定的阵列结构,不同数量的面板可以选择使用收发器在给定的条件下,比如它的位置,单元格大小,用户分布。我们首先分析光束模式由单一UTA和现在的基本波束形成向量适用于UTA beam-tilting目的。这些向量为相干传输到目标用户可以组合来自多个面板构成整个数组。它们也可以用于多用户信号传输通过适当分配一组UTA面板每个用户。相对应的数组和波束形成向量应用到不同的传播环境证明有用的建议。本文组织如下。部分2解释了信号与系统模型,其次是用于绩效评价的措施。节3梁的特点,分析了UTA,波束形成单一UTA向量以及3 d多面板阵列。由多个uta组成的数组结构给出了部分4,绩效评估结果部分所示5。结论给出了部分6。

2。系统模型

考虑的UTA等边三角形的形式与常数邻天线元素之间的间距。与15 UTA天线元素如图1(一),在5天线元素的行数是1,2,3,4,5,分别。总结这种类型的天线位置,lth天线面板的行包括l天线元素。的三角面板l天线行,UTA是天线的数量N=l(l+ 1)/ 2。如果整个天线阵结构组成的米UTA面板、总天线元素的数量米_T=锰。光束模式进行了比较,我们认为传统的矩形阵列同样数量的天线,与16个天线的元素,如图1 (b)。参数α和β如图1代表梁的水平和垂直角度用于可视化模式。

3 d天线结构的一个例子和相关协调参数如图2,20 UTA面板构成icosahedron-based天线阵列。中心的3 d数组叫做起源和用O。目标用户设备(UE)用U。象征一个_{m, n}表示的位置nth天线元素米th UTA面板。问题的方向可以用极坐标表示使用方位角Φ和天顶角Θ。同时,的方向一个_{m, n}从原点的方位角表示ϕ_{m, n}和天顶角θ_{m, n}。表示到原点的距离一个_{m, n}通过r_{m, n}的位置向量nth天线元素米表示为th面板 同样,问题的位置向量可以写成 在哪里问题是到原点的距离。

天线阵的信号传输米板和接收的kth问题可以写成 在哪里是接收到的向量,的信道矩阵是吗米th面板,的波束形成向量米th面板,是数据的象征。注液电池干扰和复杂的高斯噪声向量是用和 ,分别。信号模型可以扩展到梁时,形成多个目标问题 在哪里再次收到了向量的吗kth问题和数据向量K由发射天线阵问题服务。波束形成矩阵 包括波束形成向量K问题。

多用户同时传输数据时,梁用于另一个问题作为干扰和相应的干扰信号是由第二项在方程(3)。结合interuser干扰的影响,注液电池干扰,噪声,signal-to-interference-plus-noise-ratio (SINR)kth问题变得 在哪里噪声功率。总结个人数据速率 为K系统的问题,总和率表示

天线增益模式应用到每个天线元素遵循3 gpp标准模型(29日]给出 在哪里 垂直增益和吗 是水平的收益。参数和代表了从天线孔径垂直和水平偏差的角度,分别。

3所示。统一的三角形的数组

我们使用数组生成UTA的光束模式如图1(一)。我们假设没有应用于天线移相元素和梁的方向是相同的数组的瞄准线。光束模式计算得到的信号功率在不同的水平和垂直角度值。图3(一个)表明水平梁模式得到改变α对于给定的值β。另外,图3 (b)表明垂直指向性图案得到改变β对于给定的值α。相比之下,类似的光束模式评估的使用数组如图1 (b),结果绘制在图4。注意,水平和垂直模式的是相同的形状将数组的对称。虽然模式,UTA和不相同,一般梁形状包括3 dB波束宽度和旁瓣的大小是相似的。

光束模式当目标射束方向偏离阵列孔径也比较两个数组。图5(一个)显示了峰值功率时,会观察到目标方向射束方向偏差角θ从0增加,假设单位功率传输从每个天线元素。峰值功率会减少θ成为大由于减少增益单元天线中描述方程(6)。然而,非常相似的峰值功率值观察两个数组的所有偏差角的范围。细微差别的能力值对应于16/15,天线数量的比率。图5 (b)的评价结果是3 dB波束宽度不同的值的θ,显示所有偏差角的波束宽度保持相对稳定。

尽管一些详细的差异在他们的光束模式,我们观察的比较结果总体光束特征两个数组是相似的。关键特性如光束峰值功率和波束宽度不依赖于数组的类型,但在数组中元素的数量。因此,UTA有适当数量的元素可以是一个有吸引力的替代候选人的构造3 d天线结构预期的波束形成特色。

我们确定波束形成向量的集合使用天线的几何位置,可用于传输光束倾斜的UTA任意大小。类似于codevector代常规二维数组,波束形成向量的确定可以通过水平和垂直光束的克罗内克积。图6显示了天线位置指数UTA的元素。天线的元素子集UTA存在产生的矩形内的所有可能的位置l天线行和2l−1天线列。让我们首先定义的基本波束形成向量垂直梁代。一个垂直波束形成向量的长度l的离散傅里叶变换(DFT)向量,表示为 值与线性增加的阶段。梁指数p决定的一个总数P对垂直光束倾斜角度,l×P矩阵 代表的集合P垂直波束形成向量。第二,基本波束形成向量水平梁代可以用向量的长度为2l−1 已修改的零相位的DFT向量元素的中心向量。在一个生成水平梁问根据指数倾斜角度问。包括所有问波束形成(2列向量l−1)×问矩阵,我们获得

结合垂直和水平横梁,我们乘列向量和行向量生产l×(2l−1)codevector矩阵方程(11) 为和 。请注意,包括移相角度为矩形区域中的所有元素,如图6。波束形成的向量UTA得到方程(通过选择元素11),对应的阴影元素三角区域图6UTA天线元素。选择N元素的l(2l−1)元素 ,我们表示nth元素的向量为UTA波束形成 。这个元素是通过选择获得 ,这是lth行和kth列元素 ;即。,we have the relation 。我们需要指定如何codevector元素索引n相关矩阵指数l和k,由以下公式给出的关系

使用这些公式,codevector元素索引n= 1,2,…N−1被翻译的行索引l和列索引k然后在方程(相应的元素11可以选择)。获得的codevector UTA通过收集选定的元素作为

因为有P垂直光束的方向和问水平波束方向,总魁人党优良的长度N可以通过结合构造两个方向的光束。因此,我们包括所有这些优良形成了对联航的电报密码本N×(魁人党)矩阵

波束形成向量可以由选择列方程(14)和所需的垂直梁指数p和水平梁指数问。

上面描述的波束形成向量申请使用多面板阵列相干数据传输,需要一个适当的调整。每个UTA面板在不同位置和天线孔径,和修正参数需要增加所选codevector来弥补这种差异 形成的波束形成的向量米th面板和kth问题。获取校正参数,参考点的距离每个面板的问题需要计算。不失一般性,我们第一个元素的位置的参考点为每个UTA面板。的相对距离一个_米,1问题可以由单位向量的内积从原点到问题和向量从原点参考点的方向,也就是说, 。使用极坐标计算的结果是由(30.] 在哪里原点之间的距离和天线位置的引用。利用这些信息,参考天线的通道相位差元素在每个面板中可以获得 在哪里是载波频率,c是传播速度,是波长。修正参数方程(15)取幂的负面价值方程(17)补偿相位差

我们可以获得校正参数为每个小组通过使用参考天线的坐标信息和目标问题从方程(18)和将其应用于传输光束从给定的多面板阵列结构。

4所示。多面板uta

可以结合多个uta构建3 d形状各异的数组。uta都相同的等边三角形,它们可以作为更复杂的基本构建块和多才多艺的天线结构。例如,uta可以放在一起形成一个多方面的金字塔可以固定在墙上的或附着在天花板上。更小的细胞正在部署5 g NR,天花板等类型的天线阵列适合室内小细胞的应用程序。图7是一个说明性的例子使用多个uta形成了金字塔形状的三维数组,安装在室内天花板上有效的细胞内的信号传输到接收器。参数Θ₁,Θ₂等从各自小组孔径光束偏离角。信号可以传播到目标问题从最小偏向角的面板或从多个面板使用矢量光束相干信号结合。添加更多UTA面板3 d结果数组结构在不同的形状。图8显示顶式阵列板的数量米= 3、4和5。对于这些数组,UTA板的孔径之间的角度和方向垂直于天花板表面70.5°,54.7°,分别和37.4°。板的数量增加的时候出现米= 6,数组平躺到天花板表面孔径和面板直接向下的方向。根据空间几何和典型问题分布,可以选择一个特定类型的3 d数组为提高传输性能。

图中引入的顶式阵列8有覆盖的限制只有一个半球的整个三维空间。为了克服这个限制,我们可以构造数组结构基于正则多面体及其变化包括更多UTA面板覆盖了整个空间。图9显示这样的数组结构使用米= 8,20岁,60岁,80面板。第一两个数组数据9(一个)和9 (b)是由附加UTA面板的八面体和二十面体,分别。十二面体12面临不能直接用来构造一个数组与uta以来面临五角大楼。相反,我们应用5 uta覆盖每个面对十二面体,如图9 (c)并获得3 d结构60 UTA面板。另外,每个三角形的二十面体可以进一步划分,包括四个等边三角形在较小的尺寸,提供安装空间80 UTA面板如图9 (d)。确定天线元素的总数米_T=锰,在那里N是天线的数量在每个面板。使用NUTA = 15元素,总数量的天线阵列结构米= 60板数量米_T= 900。因此,大规模阵列在不同的形状和大小可以由多个uta通过改变设计参数。随着三维天线阵列的需求增加,uta提供的大规模生产降低成本可用于数组结构。

5。绩效评估

我们评估3 d阵列性能的几个不同的传输场景。这里,我们感兴趣的是判断候选人的适用性数组的问题在三维空间的直接视线(LoS)光束传输的控制组件。因此,只有《梁的归一化接收功率测量是基于每个面板的偏向角问题,忽略了路径损耗和多径信号的影响。归一化接收功率的单位价值当天线元素直接指向目标与零偏差角问题。为UTA米元素,接收到的信号是结合归一化接收功率的展览零偏差角的问题。接收功率减少偏差角变大,确切数额的减少是由方程描述的增益模式(6)。当米面板是协作传输光束在给定位置的问题,我们测量的偏差角板并在升序排列 。相应的归一化接收功率可以列入降序排列 。下标索引k在变量和表示顺序的贡献各自的面板。例如,k= 2表明是第二个最小偏向角在所有面板,提供第二大归一化接收功率问题。

图10节目的传播特点顶式3 d阵列图中描述7与米= 4面板的问题被认为是半球位置一致。在图10 ()累积分布函数(CDF)显示了归一化接收功率的光束从四个面板。最大的接收功率的分布表示由k= 1在图中,平均值为8.9分贝。的平均值 , ,和分别为0.3,15.1−−16.6 dB,建议接收功率的数量迅速减少面板更大偏差角度。为k> 2,贡献力量的数量远远小于前两个面板。因此,使用两个协作传输面板似乎在这种情况下足够了。图10 (b)显示了它的 ,表明更大的偏差角分布k增加。的平均值是28.1,57.5,87.0和107.8°k= 1,2,3,4。的平均值和远远超过3 dB波束宽度的增益模式方程(6),提供一个微不足道的力量贡献目标问题。

我们应用顶式阵列米= 3、4、5、6 UTA板来确定问题的归一化接收功率的总和一个随机半球位置。在图11,显示了力量和越来越多的小组合作米′执行相干信号结合。图中可以观察到,权力成为饱和米′= 2,和使用更多的板不提供额外的功率增益。唯一的例外是数组米= 6 UTA面板,所有面板表面平躺到相同的表面。在这种情况下,所有面板的偏差角的问题是相同的和接收功率线性增加M′增加。也观察到图的数组米= 5 UTA面板提供了最大的归一化功率,表明其结构的优势有效地覆盖空间板孔径的随机问题。

接下来,使用摘要多面体三维数组的归一化接收功率米= 60面板如图9 (c)被认为是。对于这种情况,我们假设随机执行波束形成问题位于球面模型与数组的中心,覆盖了整个空间。我们第一次评估单用户传输的归一化接收功率场景图中描述12(一个),然后将结果检查率和多用户传输场景显示在图12 (b)。

图13显示了CDFs的归一化接收功率和偏差角。虽然多达60个板可以用于单用户协作传输,到约5板有助于大部分的接收功率。在图(13日)配电是策划k= 1到5的平均值是11.3,10.9,10.0,9.4,和8.7 dB在降序排列。与顶式阵列,降低对增加的值不太严重k。这也可以观察到在偏差角的分布如图13 (b)山谷,平均11.5,16.9,24.2,28.0,和32.0°。spherical-shaped数组中有大量的电池板,更多的面板与合理小偏离瞄准线在传输信号到目标做出贡献的问题。

数组提供光束传播功能对所有各向同性问题的位置在三维空间中,只有数量有限的面板是充分的波束形成单个用户。因此,多用户传输几何分离问题需要加强利用数组的资源来增加系统的吞吐量。我们随机定位K问题的空间,并分配一组面板波束形成一个给定的问题。图10 (b)是多用户传输的例子K= 2问题,面板的分配问题在左所示蓝色和电池板向下方向的问题用红色标记。该小组分配策略是分配面板以循环的方式问题,面板有最接近的方向瞄准线轮流分配的问题。如果面板与这样一个条件已经分配给其他一些问题,下一个最小偏向角的面板是分配。继续这个过程,直到所有的问题都分配米′面板数据传输,在那里米′是预先确定的,所使用的面板数目,每个用户的协作波束形成。

我们这个小组分配过程K与60多个问题使用摘要多面体数组UTA电池板sum-rate性能进行评估。率之和决定通过增加个人的问题如方程(所述5)。个人率是通过产能公式,计算信号干扰比的电池板的接收功率分配问题和干扰功率板的另一个问题。在图(14日),从重复率是评估和模拟的随机问题的数量同时在场的时候对光束传输问题K= 2,3,4,5。越来越多的价值总和率显示为K变得大,显示数组的多用户传输能力。图中所示,饱和才会发生米′= 10合作面板,显示10个或更多面板可以被指定为每个问题。然而,额外获得后使用米′= 5板变得有限,使用更多的面板将导致增加操作复杂性和功耗。在图14 (b),我们评估利率问题的数量增加时,为每个问题在使用5或更少的面板。虽然个人率往往表现出缓慢下降问题,总和率不断增加多达10个问题,证实了多用户波束形成数组的适用性。

6。结论

天线阵列在不同形式和结构是提高波束形成所需的功能,并利用三角面板及其组合构造三维数组。uta提供几何优于矩形与构建各种3 d数组结构,可能合作的多个面板增加目标用户的信号强度。beam-tilting能力通过移相从每个小组提供的也可以提出了有限速率反馈渠道。传输使用3 d数组是特别有效的多用户场景中,可以同时支持大量用户改善了系统吞吐量。

数据可用性

仿真数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由韩国国家研究基金会(NRF), MSIP (NRF - 2017 r1a2b4002367)和LG电子(LG Electronics)。

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