文摘
5 g的一个关键挑战是过渡mm-Wave频谱。尽管提供前所未有的数据速率,mm-Waves也遭受路径损耗高,大气吸收和更高的信道条件下,波动引发了众多的智能手机行业的范式转换。mm-Wave通信扩展到智能手机需要首先全面研究确定天线设计/智能手机实现挑战影响通信的质量。这项工作提出了一种两步评估指标,mmWAESI,评估mm-Wave天线的潜力和限制它们对系统性能的影响。首先,它的空间分布分析smartphone-integrated光束控制阵列的辐射功率。然后,它评估天线对天线性能的影响,利用离散,时变几何MIMO信道模拟器重新创建任何mm-Wave传播场景。为提高准确性,mmWAESI账户同时几个沟通方面:天线类型、现实的辐射模式,手机形式因素的限制,手机定位,和用户的影响。的方法说明了两种不同的第4单元线性阵列39 GHz,补丁或磁单极子元素的基础上,集成到智能手机。他们的表现是在类似条件下相比,暴露,除非采用阵列开关,智能手机的外形和用户的影响力将面具镇定数组的任何潜在的优势特点。
1。介绍
5 g无线技术是目前发达国家维持大量的数据率、连接,带宽和低延迟需求带来更多的用户,设备,和雄心勃勃的努力,如智能城市或自驾车辆(1,2]。然而,5 g的主题仍然是有点抽象在毫米波(mm-Wave)天线技术。在mm-Wave域,与增速低于GHz移动手持设备的天线设计,天线的一个更大的参与系统的性能和可行性,不应该被忽视3]。5 g mm-Wave天线提出了一个重大转变,因为它需要较高的增益和光束控制能力(4]。因此,这个新的动态天线行为要求编织的光束控制和Multiple-In-Multiple-Out (MIMO)功能。
尽管mm-Wave天线在电台的存在基础设施部署在不久的将来,mm-Wave 5 g移动手机天线技术仍处于早期阶段。仍然没有标准化的方法来设计和实现这些天线在手机由于缺乏知识mm-Wave 5 g无线系统基准(5]。这可以防止设计参数,如用户的影响评估的影响,手机效果,并获得保险,因为没有一个参考比较。
本文提出一种方法,mm-Wave天线评估智能手机(mmWAESI)方法,实现一个实用程序旨在评估的性能不同的MIMO mm-Wave天线实现5 g智能手机系统的实现。它是通过混合天线性能分析的两个维度:多径信道建模和实际的天线特性和环境约束。尽管是同样重要的可行性mm-Wave通信天线阵实现,这两种方法通常是单独研究。因此,mmWAESI结合通过一个两步指标包含的真正影响mm-Wave 5 g天线设计约束系统性能评估。在第一步的方法,覆盖的研究步骤,阵列的波束形成潜力评估的空间增益覆盖使用MATLAB工具箱开发,天线模式分析工具箱(APA TBX),创建一个覆盖面积百分比曲线。在第二步的方法中,天线系统性能一步,MATLAB开发了信道模型是实现来创建不同类型的mm-Wave传播场景和多输入多输出信号性能是衡量队伍在用户旋转用户设备(UE),干扰对齐的基站(BS)。此通道模型使用天线辐射模式和特点从3 d电磁求解获得计算机仿真技术(CST微波工作室),描述天线的实际行为比纯粹mathematical-based模型通常用于模拟频道。此外,它占光束控制和码书大小,影响手机的金属外壳,手机的旋转和定位参考基站、用户堵塞,和去极化效应,它还包括可配置多路径场景。
mmWAESI方法可用于选择特定智能手机天线类型实现的场景。天线将经过两个步骤,覆盖研究步骤和天线系统性能步骤,在相同的测试条件下,这样他们的扫掠面积覆盖潜力和MIMO信道性能可以相比。它也可以被用来测试不同的阵列配置,其定位在智能手机,和类型的手握在变化的环境条件下,促进智能手机mm-Wave天线设计和原型。
虽然该研究也可以通过无线(OTA)测试,这将是一个更昂贵的,复杂的,耗时的过程。因此,它是至关重要的,首先追求的发展现实的模型,如mmWAESI、预测问题的行为当面对mm-Wave传播的挑战。
本文说明了该方法使用两个承诺mm-Wave天线阵的家庭:一个基于补丁解决方案(PBS)和磁单极子的解决方案(MBS)。这些天线是实现智能手机作为一个单一的线性第4单元的底部均匀阵列,为简单起见,和比较在三个不同的场景:
视线场景(LOS):这是一个参考的场景有完全通畅直接路径没有任何来源的多条路径。
视线与多路径场景(LOS +多路径):散射是随机定位问题和附近的废话来创建一个多路径丰富的MIMO信道。
No-Line-of-Sight与多路径场景仿真结果+多路径):对于这个场景,《组件将几乎是零,因为妨碍《路径之间的问题和BS的障碍;然而,多条路径添加到环境将给一个信号可选路径阻塞以便通信发生。
本文的其余部分组织如下:部分2总结了挑战识别在文献中关于mm-Wave天线实现的智能手机。部分3描述的选择背后的推理两种mm-Wave天线用于说明研究中,以及他们的设计的细节。部分4分析了影响天线pattern-altering因素中提到的部分2,即智能手机的结构和用户的影响。mmWAESI两个步骤的方法,覆盖研究步骤和天线系统性能步骤,介绍了部分5和6,分别。最后,部分7礼物的结果比较说明研究PBS数组与MBS数组的智能手机实现可行性和性能。
2。挑战mm-Wave智能手机天线设计的实现
在本节中,一些主要的挑战mm-Wave天线设计和智能手机实现,以及在文献中提出的方法来减轻。
第一个障碍是mm-Wave传播条件差。尽管提供更大的带宽,这是非常吸引人的大数据率通信(6),有强大的路径损耗,大气吸收,低渗透通过对象和小衍射障碍(7,8]。为了抵消这一点,增加阵列增益需要弥补的巨大损失。这是唯一可行的,因为mm-Wave天线电小,更好的融入手机等更严格的空间。在[9),一双sixteen-element贴片阵列放在手机的顶部和底部,而[10]介绍了八个模块eight-element贴片阵列分布的手机。
众所周知,天线阵列使光束控制。使用这个,常规的米姆方法采用将手机重新设计将MIMO与波束形成的空间多路复用(11,12]。在[10],波束形成模块是为了传送8个独立的数据流,但如果任何模块被阻塞,其余的可以继续在空间复用MIMO模式函数(少了一个数组)或简单地独立工作。
然而,适应大量的手机天线是具有挑战性的。如今,缺乏空间硬件的手机(3]。这些紧凑的形式因素,除了必须适应其他无线技术,需要集成电池,大屏幕,多个摄像头,指纹扫描,陀螺仪,振动器等等,以确保最好的用户体验。这导致很多文章紧凑和创造性的天线解决方案来优化空间内使用手机。在[11),使用双极化天线:两个数组实现的手机可切换的极化,阵列所需的数量减半而翻倍频谱效率。
天线设计的另一大挑战是,大多数先进的智能手机也有金属外壳。这些服务的一个审美的目的,同时提供结构坚固和散热10,13]。然而,这些设计选择mm-Wave天线位置的另一个障碍,因为更大的屏幕和金属形式因素增加金属天线的距离。这些高频率、金属负责一个戏剧性的辐射方向图形状的损失。因此,它是至关重要的,包括天线的形式因素的行为研究。
除了这些设计约束,用户必须考虑天线的影响行为。首先,用户的身体,当在这些频率靠近天线,阻止任何信号的方向(14]。在[15),测试了15个GHz表明身体是一个明确的信号传播的障碍。在[28 GHz,16),结果表明,该用户堵塞效应是更高频率更严重。手或头接近手机产生的主要干扰天线的辐射模式,必须占在测试模拟。其次,很难预测用户如何将东方手机与BS。这可以干扰极化之间的对齐问题,BS,天线系统性能恶化。最终,这可能会使解决方案,比如双极化天线比最初理想更有效。
通信通道将很大一部分在确定MIMO系统的性能。因此,明智的做法是建立一个准确和可靠的信道模型,再现了mm-Wave环境和传播特征,同时结合所有上述天线设计参数(17]。然而,由于这是一个新颖的话题仍在调查中,没有太多的文章在文献中严格同时解释所有这些设计和实现需求。这些模型已经存在,如(18关于天线),但采取简化建模和未能考虑设计参数的一些讨论(智能手机底盘或用户的影响)。此外,一些mm-Wave天线方案的智能手机集成可以通过无视现在过于乐观性能结果不利于传播条件的场景。在[5),测量相关用户堵塞,最重大的挑战之一mm-Wave传播,只有进行问题的场景和BS面对彼此,这是最优定位最大化吞吐量性能。
应对这些挑战,本文提出了mmWAESI方法提供了一个更现实的分析的覆盖率和米姆mm-Wave天线实现在智能手机的性能。
3所示。mm-Wave天线类型智能手机实现
3.1。选择标准
PBS是一个非常受欢迎的天线类型文学。低调和高增益值数组中使用时配置建议PBS是一个很好的候选人5 g智能手机实现,更不用说它的双极化的能力。
然而,理想的窄光束与PBS获得自由空间可能会失去其形状在现实的环境条件发挥作用(如电话底盘或用户的影响)。如果现实的辐射模式预测不是一个可靠的选择,然后把天线的设计建立在实现一个特定的光束行为可能导致徒劳的努力。
而不是只关注利益,还必须分析被报道。改善这方面一个很好的选择将天线阵列元素与一个更广泛的辐射模式,比如抵押贷款支持证券。这些天线有更高的带宽;也小,所以他们不会干涉太多与遗留在手机天线;和更复杂的实现。
因此,这是两个候选人天线解决方案选择mmWAESI的说明性的评估方法。这样做的目的是能够识别哪一个是最适合智能手机实现基于覆盖范围和MIMO信道的性能,同时考虑所有的设计和实现上面提到的限制。
3.2。天线阵的设计
天线解决方案设计为线性第4单元数组在CST微波工作室19]。他们针对39 GHz。在这个项目中,阻抗匹配是保证通过操纵天线的电参数,因为如此高的频率是不可行的离散电路来产生所需的元素。为线性阵列天线元素的数量被选为增益和报道之间的妥协,这束有足够的增益覆盖传播引起的损失mm-Wave但不是如此狭窄的影响的报道。此外,更大的数组导致更高的能耗和时间开销驾驭阵列波束,从而降低智能手机的电池寿命。一个 线性阵列的大小作为妥协。
0.5毫米厚的PBS天线印制罗杰斯RT 5880衬底(损耗角正切 和介电常数 )和一个 毫米的补丁。的金属地面和补丁的铜的导电性 。自从PBS稍后将用于MIMO空间复用的性能评估,它被实现为一个双极化天线,所以两个喂食针放置的活动提供一个偏振沿y设在和另一个x设在。PBS中使用 毫米线性阵列配置,如图所示1(一)。
(一)
(b)
MBS天线模型是折叠 mm磁单极子,这是大大小于PBS。它是由相同的铜材料PBS。MBS的地平面尺寸有所不同,因为该解决方案将利用手机作为一个地平面。它也设计成与4天线元素和一个线性阵列间距,显示在图1 (b)显示的辐射模式 ,11.0 dBi最大增益值。天线单元之间的间距对天线类型, ,不仅取决于所需的增益,但还需要提供良好的相邻元素之间的隔离( dB)。
值得一提的是,本研究中使用的补丁和磁单极子数组元素产生的主要特征相关的量化分析系统性能的影响,也就是说,梁敏捷,数组元素耦合,梁去极化影响天线系统的吞吐量。使用其他天线元素不会改变研究的结论。
图2显示了角度和 ,建立球面坐标系统,还有吗角,表明梁[的指导方向20.]。
这个角定义的是z设在和向量从原点到观测点P,从0到不同 。这个角被定义为x和的投影P在xy飞机从0到 。这个角是海拔光束转向角。它是衡量对数组的轴。图1(一)显示了PBS的 光束。
4所示。影响天线的行为
4.1。形成的因素
智能手机形式用于CST仿真模型实际phablet描绘图3。这个模型主要是一个结构紧凑的铜。底部的形成因素有一个中空的体积,在FR-4衬底( , )放置,以适应天线。手机的底部区域由一个塑料外壳封装,蓝色的图3( , )。这个空间部分被终止的子6-GHz遗留天线由50负载的仿真模型,它们的影响仍将占没有他们思想活跃(因为他们的工作频率带宽)是不同的。
PBS数组的下半部分集成到手机的,卷的天线,见图4(一)。MBS也在同一天线的体积,实现手机的电路板,使用手机作为一个地平面,我们可以看到在图4 (b)。
(一)
(b)
很明显,辐射模式遭受一些变化对比图5图1。这是由于这样的事实:手机的底盘,封装了天线是用金属做的。此外,现在两个天线的家庭也有类似的最大收益的细微差别1分贝左右。研究手机组件的影响天线辐射方向图的行为,一些改变了原来的形式。大猩猩5屏幕玻璃(21)( , )添加到电话前,塑料套管延长所有通过后面的电话,来取代这种黄色金属后盖。手机的边框尺寸也发生了变化。周围的边框都是手机的前面帧的屏幕。如果减少,以适应更大的屏幕,需要空间远离天线放置体积与金属覆盖。因此,边框的大小减少从原来的14.6毫米的大小,显示在图32.23毫米,以重现iPhoneX或者是三星S9边框大小。
(一)
(b)
前两个修改形式并没有造成任何重大改变天线的辐射模式这个特殊的天线位置。这可能是由于一个事实:数组没有足够接近玻璃的效果体现。然而,边框大小研究证实,添加金属对电磁场的传播有害mm-Wave频率,我们可以看到从图6。因为改变外形尺寸需要更多金属只在前面的电话,PBS并未受到严重影响,在图表示6(一),因为它辐射对后面的电话。MBS,然而,叶,指向前面的电话是隐含的,见图6 (b),但由于金属的反射面,它造成了增加获得剩下的梁。
(一)
(b)
然而,重要的是要强调,所有这些结果受阵列的定位电话,不应推广。本节是为了简单地识别最重要的智能手机学习障碍时要考虑其影响天线的行为,这种情况下,智能手机的金属底盘。其他形式的材料的影响是最小的。因为他们只会增加计算时间,而不影响太多结果;其余的研究进行了与原来的图的形式因素3。
4.2。用户的手柄
人类的手被选为模型用户的身体影响性能的mm-Wave天线在手机中实现。英特尔提供了一个3 d CAD的手柄,从老项目中执行增速低于GHz频段。这些模型可以集成到CST仿真和控制姿势可以调整phablet的维度。使用的手柄是俗称说话模式,代表的方式拿着手机打电话时,见图7。
因为这个CAD模型是设计用来增速低于GHz频率,其介电性能需要更新mm-Wave频率(22]。虽然手是一个错综复杂的人类身体的一部分,与皮肤、骨骼、肌肉、血管、验证,只有肌肉组织是相关的,有最大的影响的结果。它有最高的电导率值, ,介电常数, ,的所有手组件被认为是在22]39 GHz,从而控制在mm-Wave频率波传播行为。数据8和9显示数组的辐射模式中实现手柄的形式包括两个指导方向, 和 。
(一)
(b)
(一)
(b)
很明显,所有辐射模式遭受同样的用手在近距离的影响。现在一旦狭窄和指令束随机的和不可预测的形状的辐射模式。考虑的过渡 梁的 梁,值得注意的是,光束控制能力也因为所有梁失去形状影响用户自愿覆盖天线时,失去方向性。这是因为人体的介电性能mm-Wave乐队。如此高频率的电场不穿透人体太深(仅在表皮级别)和沿着皮肤表面传播。
图10显示了PBS的左斜传播表示通过电话和用户手握的手。截线割手+形式证实了上述说法。在用户的手的位置,一个巨大的深蓝色区域明显,导致缺乏电场穿透。它是反映在用户的手或逃离用户的手指之间的差距。
对于这个特殊的天线定位,PBS是严重影响,因为它通过电话的辐射,由用户的控制完全是凹的。这是不可避免的但复发mm-Wave传播所面临的挑战,必须通过引流足智多谋的技术,如梁转换或数组切换的过程。如果多个天线阵列放置在电话,当用户块一定的天线阵,通信仍然可以进行切换到剩余的一个数组。然而,数组转换的话题非常广泛,因此没有探索出版。
此外,mm-Wave,用户头也变得高衰减的障碍,和研究其效果通常的手15,23]。然而,由于手一个同样严重的堵塞效应,本研究只侧重于手柄,以减少计算时间。
5。mmWAESI的第一步:覆盖研究的步骤
有高增益不是唯一的参数考虑mm-Wave天线选择5 g智能手机集成。数组之间必须有一个平衡的空间覆盖能力和获得最大的价值。高度指令梁需要梁敏捷性校准和保持联系,因此,它的质量。数组的基本原则是,一个天线阵列可以提供多个光束指向不同的方向。实现增益和报道之间的妥协,一个公平的评估将是量化一组束的立体角可以扫描,而不会损失一个可接受的最大增益值。定义的指标是基于百分比总数的立体角,天线波束扫描对于一个给定的阈值增益,下面的无线连接不可行。
为了进行这项研究,是在MATLAB开发的工具,APA TBX,它允许用户执行上述评估使用每个数组的单个天线的辐射模式特征从中科出口作为输入。下面的部分将详细介绍这个工具箱的基本原则:电报密码本发展和覆盖函数。
5.1。码的发展
这项研究重建的第一步,通过仿真、执行的波束扫描天线阵列。这是通过计算每个离散梁阵列增益值 方向的观察。考虑到模拟相移的局限性,不可能执行连续梁操舵。这是一个具体的离散过程值。
因此,为了获得一些梁,密码本必须开发。码是一组的 应用到的权重单个天线阵列的生成梁在不同值(24]。为一个特定的 ,出了可用,这些权重被定义为 根据线性阵列理论和计算。每个天线元素需要一个渐进的离散相移喂,由(1),波数和吗天线之间的间距是数组元素(20.]。
春秋国旅在后处理这个功能实现选项卡,在结合工具的名称。的的值必须输入的喂养波束天线仿真的一个生成。对于大尺寸码书,这可以成为一个繁琐和耗时的过程,即使的帮助编程宏。
为了加速这个过程,这部分工作的努力专注于发展APA TBX工具使码书生成和表示一个自动的过程。这个工具是可配置的,允许用户定义参数如电报密码本的维数和移相器的分辨率和显示获得覆盖率信息。春秋国旅有选择导出单个天线远场的辐射模式特征地区变成一个ASCII文件(包含不仅天线单元之间的相互影响,也形成因素和用户的影响)。这些输出文件中提取的角分辨率(用户可选)。这些包含ASCII文件,对于每个 组合,电场的相位和大小组件每个天线元素。此信息用于APA TBX为了,通过线性阵列理论,生成阵列的辐射模式和计算阵列增益根据用户的喜好数组元素间距,梁,指导方向和移相器的分辨率。使用这些值的那部分这项研究中,一个2 d的标准线性插值函数计算使用MATLAB库获取增益值之间的谨慎 从春秋国旅的坐标。
因此,从这些单个文件的信息输入在APA TBX,用一个模拟,生成表示一组束类似于那些将获得与春秋国旅的组合工具。而不是计算外部输入到春秋国旅,所有需要的就是一个所需的列表价值观、工作频率和天线间距数组中的元素。
使用APA TBX是更快和提供了更多的自由,因为分辨率和相位量化等功能。在这个工具,一个现实的移相器实现分辨率输入, 。的移相器位,有可能的相移,可以提供给天线。后值计算 ,可用的工具接近他们最接近的相移。然而,如果太小,之间的差异和最近的相移可能高到足以引起小偏离原先预定的现实生活的方向,这实际上是一个用户终端的限制,需要进一步计算步骤重现春秋国旅。
图(11日)显示了四个春秋国旅个人辐射模式线性MBS与4个元素数组(突出显示在蓝色方块)集成到手机(抑制更好的可视化的图)。为了APA TBX验证 梁在春秋国旅的结合生成工具,在图11 (b),从APA TBX获得的相比,在图11 (c)。
(一)
(b)
(c)
这个工具还允许引入信封可视化。这是术语用来指的代表性的等高线离散梁同时表示。数据12(一个)和12 (b)显示的3 d表示seventeen-entry电报密码本信封,分别PBS数组和MBS数组。这个电报密码本信封将用于构建覆盖函数度量是基于覆盖率的研究步骤。
(一)
(b)
5.2。覆盖的函数
考虑一个球形表示天线增益的立体角,像在图表示13。对应的最小增益值中心辐射模式, ,和半径是天线的最大收益, 。3 d码信封PBS数组分隔的覆盖范围。假设一个特定的增益阈值,建立了 ,根据该天线的增益太低。覆盖函数表达的百分比注册方向( )获得的电报密码本信封内间隔, 。这个比例将量化增益覆盖每个天线解决方案的潜力。
辐射模式,然而,当出口数据中科等距的点的数据样本的辐射模式和的方向。这将创建一个 网格,每个方向均匀分布的点。在球坐标,这并不符合均匀分布的点的球体。节点成为密度方法0或和稀疏逼近我们可以看到在图14。这就意味着点持久的百分比 条件将依赖于辐射模式的取向。
(一)
(b)
权函数必须被添加到适当的功率密度分布在极性矩形网格数据网格。权函数, ,是由(2)。点密度较高的区域将重量不到的地方点是稀疏的。
这将被用来创建一个曲线代表覆盖率百分比, ,为l水平的 。这个计算是描述(3),点的数量是 , 值对应的重量是根据点的坐标,是点的总数进行了分析。
6。mmWAESI第二步:天线系统性能的一步
3 d几何实现离散散射信道模型来创建不同类型的场景mm-Wave传播。
通道模型理想化与空间复用MIMO +波束形成的场景。在这个特殊的研究中,一个2×2 MIMO +波束形成系统被认为是,如在图15。因此,这个问题已在底部两个数组的电话,和 ,废话也两个数组,和 。两对数组创建四个单独的传输路径,每一个复杂的传输系数, , , ,和 。一旦放在一起,这些系数组成一个2×2通道矩阵以矩阵形式,总结了当前信道状态的环境(25]。
BS的数组,和 ,间距为2.5厘米的差距,是两个线性,研制出与正交偏振PBS数组,一个了 - - - - - -轴和另一个 - - - - - -轴。和集成到后面的电话,可以是PBS或MBS数组。
PBS的两个数组包含一个双极化PBS阵列,如图4。天线性能步骤中,为了评估空间复用性能,第二个数组添加到手机的形式因素。由于缺乏空间正交极化安排,数组是对称放置的手机,见图16、水平和相同的取向。由于这个原因,预计,主要是洛杉矶的环境没有任何多条路径,天线系统性能可能会恶化Single-In-Single-Out(输出)的性能。
梁的数量已经设置为五码书生成条目, 。这些都是 , , , , 。在这项研究中,问题和BS隔开一段距离 m和包围 散射分布式随机的一个领域 。小心使用散射的数量,这样会有足够的多条路径创建瑞利衰落。这些散射每天模仿障碍在市区,见图17,和随机移动 - - - - - -随着时间轴2 m的活动范围。此外,他们诱导极化旋转和反射系数的高斯分布过渡,负责创造足够的反射信号的多输入多输出信号通道中成功创建多个路径。
这个通道模型使用实际的天线特性以及研究了在前一节中关于形式因素影响,波束形成,用户内在身体堵塞,和用户诱导电话旋转。它将被用来确定通道的性能对于每个天线类型问题时受到不同的环境情况,在空间取向,手握。
6.1。H矩阵计算
在一个典型的城市环境中,有两个信号传播类型。一方面,有直接的洛杉矶,当发射机和接收机之间有一个通畅的道路。另一方面,通过多条路径传播,在那里,由于散射的存在,信号反射和分散在多个方向只有通过不同的路径到达接收机和不同阶段的转变。虽然许多研究文献中使用统计分布,如瑞利分布,生成多路径组件,在目前研究多路径组件产生真正的散射分布在该方案中,每一个位置的变化,散射振幅,分散在仿真时间去极化。散射沿着线性路径以可控的速度。他们的散射振幅与零均值高斯分布和可变的标准差在本研究(0.55)。去极化角是均匀分布在一个可设置的时间间隔。值得一提的是,在这项研究中,尽管散射体的振幅是零均值高斯分布,反映出路径的振幅占每个散射体的均匀分布和去极化因素 在空间距离的依赖是总距离BS散射体问题。因此,散射的反射振幅不再是零均值高斯分布,因此,在一般情况下瑞利分布。此外,H矩阵计算包括建立一个依赖的路径损耗 对于所有散射路径。因为这个模型占天线辐射模式,问题旋转角度,梁形状修改用户的影响力,和角度的抵达和起飞,它允许一个更现实的描述的场景中,而复制规范渠道,如瑞利,如果有必要为基准的目的。因此,为了获得信道状态矩阵,这两种类型的组件是在模拟器,在计算中考虑重建,见
的矩阵将被创建为一个用户定义的在大量的环境条件T时间槽,为了创建一个衰落分布,可以评估。因为所有梁组合, ,BS数组和数组问题将会考虑矩阵(维 )将计算次了。专用的波束选择算法将应用选择矩阵对应于最合适的组合。这个矩阵将把通过通道评估指标,将评估通道的表现为一个特定的天线的家庭。
6.2。旋转手机
使用电话时,用户会不自觉地改变其方向相对于基站。通过旋转手机,两极分化问题的信号到达BS会改变,影响了MIMO信道的性能。
因此,为了把握问题的全面影响旋转的MIMO信道,重要的是要观察问题在所有3轴旋转, , ,和 。春秋国旅的远场图属性允许当地坐标系统(LCS)选择(也称为春秋国旅工作坐标系,或WCS)辐射模式的观察。使用一个辐射模式计算,可以模拟任何其他手机位置的参考轴框架提取相应的电数据使用的模拟器矩阵结构。
共有18个电话位置选择,隔开在所有三个轴,旋转步骤见图(18日)。这些职位是为了代表的活动范围的移动电话,我们可以看到从图18 (b)。
(一)
(b)
6.3。阵列耦合
另一个影响因素对MIMO信道性能是相同的数组之间的耦合装置(17]。如果两个数组之间的耦合高,这意味着数组太近,存在能源浪费,可以应用于信号传输。此外,如果一个数组的一部分能量进入另一个数组,它的一些信息会误导,导致串扰和天线增益的损失。为了正确地评估这个模型,必须定义数组的喂养网络,所以每个数组是由一个单独的端口使用CST的电路分析工具,见图19。这将返回一个 - - - - - -参数矩阵,将使我们能够计算出频道的 传输矩阵确定数量的现有的相声。
模拟显示,以完整的形式因素,PBS和MBS数组放置在这项工作中采用的智能手机,的对角线矩阵是非常接近的相声作品接近0(线性单位)。这意味着没有明显占在阵列耦合矩阵。
6.4。梁副链接选择
梁对选择标准是基于两个因素:接收功率和条件数(CN)。为每一个通道连接来 ,随着时间的推移,一个矩阵计算的功率为每个梁组合, ,见图20.。最高的条目然后比较功率根据他们的CN。CN是一个数学指标,从获得的矩阵,评估了支持空间复用MIMO信道的能力。由于空间复用传输技术是基于独立和独立的同时传输数据流,有必要评估敏感的接收器阵列是噪声和测量误差数据恢复和多少妥协。根据(26),在线性单元,一个理想的传输会CN1。为CN10日,空间多路复用通道也被认为是不适宜的。因此,选择对应于矩阵的条目的CN是接近1。
6.5。MIMO信道容量
信道容量是主要的指标选择评估MIMO信道性能。方程(5)表达了香农定理的能力27]。和分别代表系统的发射和接收阵列的数量,是一个 单位矩阵,是标准化系统的信道矩阵,信噪比是接收机的信噪比。对于一个 MIMO的场景,== 2,是一个 矩阵。
提到这个计算是很重要的C给最好的情况的能力,因为它只考虑了信道条件,忽略了过程,如调制/解调、编码/解码的信号。
信噪比有关,许多MIMO模型解决这个指标在一个合理的值,一般10 - 20分贝。然而在这个模拟器,信噪比是故意计算使用功率预算的关系随着时间的推移,容易受到环境的变化特点和天线之间的距离。
7所示。结果
7.1。mmWAESI的第一步:覆盖研究的步骤
图(21日)显示了PBS和MBS报道曲线对比智能手机实现显示在图4与图12电报密码本。类似于一个累积分布函数(CDF)表示,这些曲线表示 ,或者,换句话说,问题的立体角百分比天线,其获得高于规定的价值。
(一)
(b)
移相器被配置为5位分辨率和一个的范围内。对应于每个码的获得最高价值信封。在这种情况下, dBi和 dBi。曲线开始因为所有的评价高于增益值 −25 dBi。情节表明MBS提出更高增益相比,更大比例的立体角PBS。尽管类似的最大增益值,MBS数组有更广泛的电报密码本信封的形状向四面八方延伸。PBS,另一方面,辐射在稍微集中的方向,这就解释了为什么当阈值通过曲线的交叉点,PBS带头。这再次覆盖和增益之间的微妙的平衡。
这些测试是重复包括手柄,为了占用户的手堵塞效应。图21 (b)表明,天线位置,添加用户的手使覆盖曲线变得更接近对方。这是由于这一事实,如部分4,手改变了辐射模式,倾向于采取随机形状一定的增益值。这表明,对于这个特定的单一阵列集成场景,没有显著的性能区别使用PBS或MBS当所有环境组件被考虑。一个可能的解决方案,与未来相关出版物,将multiple-array执行数组切换实现在智能手机。
7.2。mmWAESI第二步:天线系统性能的一步
多输入多输出信号通道性能敏感性测试手机旋转,如6所述,18个不同的手机方向被使用,和没有手柄,计算MIMO信道的能力在三维空间分布。这个评估发生在三个不同的测试场景:洛杉矶,洛杉矶+多路径,和仿真结果+多路径在图表示22。
(一)
(b)
(c)
7.3。MIMO信道容量
本节介绍了phone-rotation产能中断导致CDF曲线的格式。见图23,y设在显示器问题取向,实现价值观的百分比小于横坐标的值。从三个环境测试,提出了最高数据率值是洛杉矶+多路径图23日(b),紧随其后的是仿真结果+多路径图23日(c)最后,洛图23日(一)。这些结果证实环境中散射导致的存在增加了MIMO信道性能。这是因为MIMO在多路径丰富环境下生长的,因为有几种路径传播的信号通过。
(一)
(b)
(c)
此外,通过评估值中位数的通道容量分配问题取向,可以得出这样的结论:对于这个单天线阵列的集成场景,MBS和PBS结果是相似的,尤其是当考虑到悬挂控制的影响。再一次,这揭示了用户堵塞的重量从天线系统性能的角度来看,也需要实现多个天线阵列的问题作为反动。
也值得一提,虽然模拟波束形成是在这项研究中,也有其他方法对波束形成的体系结构。虽然模拟波束形成是选择给定其节能特性,这也是限制,因为它一次只能生产一个梁,潜在影响的能力性能研究在这一节中。另一方面,数字波束形成同时允许多个光束形成,这会增加天线系统通过提供不同的同时传输路径的能力。然而这种解决方案也会造成巨大的能源消耗问题可能无法维持。妥协可能驻留在与低分辨率数字波束形成,混合波束形成,这是另一种波束形成解决方案,同时提供了更多的光束比模拟波束形成较低的能源消耗比数字波束形成。这种方法将会在将来的研究中值得探索。
8。结论
即将到来的5 g无线技术引发了众多的范式转换是在手机行业,因为mm-Wave频段的使用将改变现代智能手机天线设计和实施要求。目前,存在知识差距如何应对挑战由mm-Wave传播为了成功整合这些新天线到智能手机。因此,现实的模型是必要的预测问题的行为当面对的挑战mm-Wave传播在继续现实生活之前测试,对于如此高的频率,是一个昂贵和复杂的过程。
本文的目的是提出一个简单的策略,可以被广泛采用,以促进和影响天线设计和搭配问题,考虑到对系统性能的影响在这个阶段,而在一个特定的设计只考虑集成方面进行了优化。提出了一种两步评估过程,mmWAESI方法,评估潜在和天线系统性能的不同类型的覆盖范围mm-Wave天线实现的智能手机。该方法便于mm-Wave智能手机天线设计和原型通过评估阵列配置的影响,定位在智能手机,用户手握和变量环境场景对MIMO信道的性能。最终,它也可以用来测试系统级别等方面不同的调制方案,编码和信道估计。
PBS和MBS分析只是mmWAESI的多个功能方法的一个例子表明,尽管微薄的可用空间在电话,mm-Wave数组仍然可以被添加,使MIMO能力增强了手机。然而,很明显,用户mm-Wave通信堵塞是一个巨大的挑战,和结果表明,多板式波束形成的解决方案应该融入问题改善覆盖所有可能的旋转和手握,使用一个适当的切换方案。
数据可用性
使用的数据来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
这项工作是由英特尔移动通信在Aalborg,丹麦皇家研究院的支持下Telecomunicacoes Tecnico优越和网页。