文摘
毫米波(mmWave)通信关键技术的5 g的新收音机(NR)移动通信系统。有效使用大型天线阵波束形成是重要的应对显著路径损耗经验mmWave频谱。现有的全数字波束形成方案需要单独为每个天线射频(RF)链,导致过度的硬件成本和消费能力。在这种情况下,混合波束形成方法全数字波束形成的性能,同时减少复杂性mmWave多用户传输的是一个有前途的解决方案。通过扩展现有的混合波束形成策略,本文提出了一种新颖的体系结构,有效地降低了大型天线阵列的硬件成本和复杂性。该方案包括多个子阵的形式统一的平面阵列(UPA),可以在二维空间重叠。相应的天线结构被称为二维重叠部分连接(2 d-opc)子阵列结构。我们评估该方案的性能建议performance-complexity权衡设计多功能天线阵列mmWave有效的波束形成的通道。
1。介绍
第五代所采用的关键技术(5克)无线系统包括高频带的利用率大大增加传输的数据率使用放大带宽资源(1,2]。由于传统的低频段频率资源短缺,毫米波(mmWave)频谱的利用率是积极追求3- - - - - -5]。mmWave通信每秒可以传输千兆数据但患有高路径损耗和低散射(6,7]。为了克服这些困难,需要巨大的天线阵列应用于mmWave通信系统进行高增益波束形成。短的波长,mmWave通信的特点,使大量的天线是包装在一个有限的空间。这导致高定向波束形成的收益,严重的路径损耗进行补偿。
在多输入多输出(MIMO)系统使用一个大型天线阵,传统的数字波束形成需要一个单独的无线电频率(RF)链为每个天线元素。这将导致高功耗以及硬件成本,使运营成本和资本支出增加(8,9]。调查已经表明各种架构旨在减少射频连锁店的数量通过使用单独的模拟射频beamformer和基带数字beamformer,称为混合波束形成技术(10- - - - - -12]。与传统的数字波束形成,混合使用相移波束形成是由模拟射频域。模拟波束形成控制信号通过调整相移的方向,与复杂性与数字波束形成相比要低得多。性能退化是经验丰富,然而,由于缺乏精确的基带信号处理能力,包括缺乏可控性beamformer系数的大小。
一般来说,两个混合beamformer结构通常采用。分别是完全连接结构(FCS) [13- - - - - -15)和部分连接结构(pc) (16- - - - - -19]。FCS可以实现完整的阵列增益,因为每个射频链连接到天线,但它不是实际有效,因为它需要大量的相移和功率放大器。另一方面,电脑中的每个射频链连接到一群称为子阵列天线元素。电脑有效地减少所需的相移,减少每个射频的波束形成利益链的回报。
为了实现mmWave混合波束形成架构,实现波束形成高收益同时最小化所需的相移,有一些试图概括包括可能重叠子阵天线结构。大多数现有的重叠子阵列结构(OSSs),然而,基于一维均匀线性阵列(这种)20.,21)或针对单用户传播环境(22]。在这篇文章中,我们概括使用见血封喉的重叠结构提出二维重叠部分连接(2 d-opc)子阵列结构,可以支持不同的子数组的形状。每个天线元素可以被连接到单个或多个射频连锁店提供利用子阵的多功能性。2 d-opc结构可以减少所需数量的相移,同时保持数据吞吐量性能。该子数组结构包括FCS和pc作为特殊情况。剩下的纸是组织如下。节2、信号和信道模型。2 d-opc子阵列结构中讨论部分3节中,紧随其后的是绩效评估结果4。结论给出了部分5。
2。系统模型
我们考虑一个mmWave种在MIMO通信系统。用户设备(问题)是随机分布在六角形细胞,如图1位于的高度从地面。基站(BS)配备连接到传输天线射频并执行同步传播链问题。BS天线用的高度 。波束形成模块包括模拟beamformer 和数字beamformer 。传输信号向量 从天线阵列可以表示为 ,在哪里 代表了传播包含象征数据流的基带 。在接收机,接收到的信号 写成。 在哪里 信道矩阵和吗 是 包括独立同分布的高斯噪声向量(先验知识)复杂的高斯变量。我们假设所有的问题都有相同的噪声方差 。可实现的速度为th问题可以表示使用接收的信噪比(信噪比) 在哪里是 - - - - - -列数字beamformer 。Sum-rate系统可以表示为 。
我们考虑一个 统一平面阵列(UPA)天线作为整体BS天线结构,包括多个子序列。2 d-opc子阵列结构如图2,子数组垂直元素和水平元素,即。,子数组 天线。当每个子数组的大小是相同的整体天线阵,也就是说, 和 ,相应的结构变成了FCS的连接尺寸的子数组大小 每个射频链。在子阵利用分区整个数组,即。,每个子数组都有 天线,相应的结构成为个人电脑通过连接每个子数组一个射频链。的归一化阵列响应矢量UPA和方位角方向和天顶角写成。 在哪里 水平天线指数和吗 是垂直天线指数。同时,信号波长和吗是两个相邻天线元素之间的间距。自从mmWave传播环境是有限的通道模型的散射特征(23),我们采用一个简化集群通道模型,即。Saleh-Valenzuela (sv)模型(24]。的 信道矩阵sv模型下可以编写如下(25]: 在哪里
的 - - - - - -th问题信道矩阵平均功率等于天线的总数,即, ,在哪里代表的数量之间的传播路径b和问题。假设每个散射体有助于一个传播路径,与复杂的增益系数为 - - - - - -th路径 - - - - - -问题。系数是模仿遵循复杂的高斯分布,即: 。参数表示的到达方位角- - - - - -th路径此前的拉普拉斯算子分布的意思和方差 。同时,表示天顶角的到来- - - - - -th路径此前的拉普拉斯算子分布的意思和方差 。本文的另一个感兴趣的频道模型是三维空间信道模型(3 d-scm)中描述(26]。3 d-scm包括载波频率波段的传播信息的范围0.5 GHz 100 GHz。统计特性的无线电传播频率范围包括延迟扩展角利差,Ricean因素,和阴影衰落都被应用于该模型参数。信道矩阵方程(4)可以根据这个模型生成支持不同的传输场景,如城市宏单元(UMa),城市微细胞(UMi),农村宏单元(RMa)和室内热点(异烟肼)。
3所示。二维重叠部分连接子阵列结构
FCS,每个天线元素连接到所有射频链。利用天线之间的完全连接的网络元素和RF链,FCS可以实现完整的每个射频波束形成利益链。然而,FCS需要大量的功率放大器和相移的吸引力使它的实际实现。所需的相移的数量一样多 。电脑,整个数组分为不相交的子串,每个子阵列天线元素连接到单个射频链。相移的总数在这种情况下 ,大大降低了硬件的复杂性。尽管这种复杂性降低,利用电脑有限由于传输性能退化。
为了解决现有的混合波束形成的缺点,介绍了OSS实现波束形成较高增益的同时保持硬件的复杂性在合理水平。2 d-opc子阵列结构是一个泛化的OSS齿龈的刨床2 d空间。2 d-opc结构中的每个子数组连接到多个射频链和可以重叠与其他子序列在水平和垂直方向。提出了2 d-opc子阵列结构如图3。天线指标的集合包含在子数组连接到 - - - - - -射频链定义为。 其中包括 元素。在图3,参数表示是否- - - - - -连接到天线元素 - - - - - -射频链和被定义为
(一)
(b)
如果 ,的 - - - - - -射频链和- - - - - -th天线移相器相连接。如果 ,另一方面, - - - - - -射频链和 - - - - - -th天线不连接,没有移相器的存在。我们假设有子序列,每一个包括 天线元素。我们进一步允许子数组被连接不同的射频链,满足指数集 ,为例。参数被称为子序列的多重因素。因此,射频链满足的总数 和相移的总数满足 。作为一个特例,FCS指数集 为 ,和多重性因素是 。在图4(一), 子数组的大小 和 位于整个数组的尺寸吗 和 以重叠方式。每个子数组连接到一个连锁4射频天线结构的多重性因素 。在图4 (b), 子数组的大小 和 被放置在整个数组。射频连锁店的数量 如果是多重因素 。如果是多重因素 ,两个射频链连接到相同的子数组不同的相移,和射频的总数连锁店使用 。通过改变子数组的大小,数量的子数组和多样性的因素,各种不同的方式构成天线阵列可以安排,提供一个显著增加阵列设计的自由度。
(一)
(b)
混合波束形成中执行两个步骤。首先,模拟beamformer使用射频应用相移常数系数约束波束形成的元素。的 模拟beamformer follows.where构造 是 模拟波束形成的向量 - - - - - -th元素定义为问题 为 和 。在这里,表示 - - - - - -一个矩阵的元素。其次,数字beamformer决定。例如,zero-forcing (ZF)预编码器可以应用到的有效渠道 消除多用户干扰。维度的有效渠道 获得用 通道和 模拟beamformer 。在这种情况下, 数字beamformer的形式
争取平等权力分配给所有用户,列功率归一化可能适用于总体beamformer 。整个beamformer的维度 获得用 模拟beamformer和 数字beamformer 。
4所示。绩效评估
我们提出绩效评估结果提出2 d-opc数组结构不同参数设置下。三种类型的通道模型用于评估。第一个感兴趣的频道是纯粹的视距(LoS)通道 单一的路径。第二个渠道是基于多路径的sv模型 路径。每个路径跟随的方位和天顶角度拉普拉斯算子与平均值分布和确定问题的位置,这是细胞内的随机分配的intersite距离200米。角的传播用于拉普拉斯算子的分布。第三个通道模型是SCM UMi采用链路级别3 gpp对绩效评估城市微蜂窝技术(26]。我们第一次应用 洛杉矶渠道绩效评估结果数据5- - - - - -8然后扩展所有信道模型的评估数据9- - - - - -11。问题是假设有一个单一的天线。天线高度BS和议题,分别 和 。除非另有说明,接收的信噪比(信噪比)问题被认为是20分贝。
UPA废话了 天线与 垂直元素和 水平的元素。尽管2 d-opc任何大小的数组结构可用于提出混合波束形成,我们选择 UPA性能验证。的 UPA是一个数组类型采用5 g NR标准,规定在3 gpp TR 38.901 (26]。许多其他相关调查结果给出了混合波束形成使用数组维度 出于这个原因,包括(9,22]。相邻天线单元之间的间距设置为半波。子数组维度选择偶数 和 不超过最大大小的吗 和 。使用这些子数组参数,在整个对称位置的子串 数组可以如下进一步的解释。
让表示数量的水平和变化表示垂直变化的子串的数量在整个天线阵列的大小 - - - - - -由- - - - - - 。子阵的总数决定 。每个子数组的“锚点”是二维指数集 表示水平和垂直天线指标的左上角 - - - - - -由- - - - - -子数组。我们定位子阵间距相等相邻的子数组第一子数组的锚点(1,- 1)。所有子序列可以被描述的锚点。 为 和 。在图2 d-opc安排5锚点设置如下:(1)为 ,(1,1),(3,1),(1,3),(3) 和 (2)为 ,(1,1),(2,1),(3,1),(1,3)(2,3),(3) 和 (3)为 ,(1,1),(2,1),(3,1),(1、2),(2,2),(2),(1,3)(2,3),(3) 和 。
我们第一次评估sum-rate与射频连锁店的数量和图中相应的结果5。每个射频链是连接到一个单独的子数组与多重性因素 在这个图。在图中,可以看出sum-rate所有阵列结构的性能往往随着射频连锁店数量的增加而增加。射频连锁店的数量超过16之后,然而,interuser干扰越来越严重的过度补偿空间复用增益。sum-rate 2 d-opc结构的性能大大超过了传统的个人电脑,和增加性能改善子数组的大小。然而,一个更大的子数组可以支持有限数量的区位变化在整个数组,从而提供一个有限的范围支持射频链。这种限制可以删除通过引入多重性因素,通过连接相同的子数组射频链。
图6显示了sum-rate性能不同的多重性因素,它可以观察到更广泛的射频链数量可以支持通过增加的价值 。也指出存在一个值的图给最好的给sum-rate性能 。因此,建议我们使用这个最优值2 d-opc子阵列设计。最优的选择取决于子数组的大小,和子阵图中显示这样的选择与参数 , ,和 。所有后续的性能数据是基于这些最优值 。
虽然FCS优于2 d-opc子阵列结构在图5,它使用一个显著更多的相移由于完整的射频连接链从每个天线元素。因此,我们使用的所有相移计算的数量为每个数组结构对于给定数量的射频链,然后sum-rate和相移的数量在图7。图展览存在一定范围的这一事实值而优于传统的FCS拟议的结构。结果可用于选择一个理想的天线结构的约束下,严格限制硬件成本。
我们进一步规范化性能实现除以sum-rate换档器在使用阶段的数量然后情节规范化sum-rate的函数在图8。再一次,我们注意到,该方案可以超越FCS的测量,确认2 d-opc结构的强有力的成本效益。
我们扩展我们的绩效评估结果更广泛的渠道。在数据9和10,sum-rate性能评估和比较三种不同类型的频道模型考虑。多路径通道与增强空间多样性展示改进吞吐量性能在洛杉矶通道。另一方面,大量的SCM集群和光线在每个集群生成接收功率波动,减少了传输性能。
图11显示了这些通道类型sum-rate性能提高的信噪比(信噪比)值。的6-by-6子数组使用射频连锁店的数量设置 对于这个评价。最后,图12列出了sum-rate性能不同大小不同的子序列在洛杉矶通道。每个子数组类似的性能比较可以的多重性因素,相移的数量,和sum-rate正常化。结果可以作为一个参考为给定的条件选择合适的数组参数。
5。结论
我们提出了一个广义的描述见血封喉的重叠子阵列结构,其中包括现有的FCS,电脑,和1 d OSS作为特殊情况。通过调整参数2 d-opc子阵列结构,整体的硬件复杂性可以充分控制天线阵。绩效评估结果表明,该数组参数可以选择最大化吞吐量为给定的条件支持的用户数量等同步数据传输,即。连锁的射频天线系统。良好的硬件成本和sum-rate平衡性能可以通过使用该结构。虽然结果主要针对mmWave通道,同样的方法也可以采用较低的频率与主导方向路径,为混合波束形成有效适用。
数据可用性
数据用于支持这项研究的作者可以得到。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是支持的韩国国家研究基金会(NRF)和MSIP(没有。2020 r1a2c1004135)。