为5G绿色通信RF反射器的毫米波测量

摘要

近年来，随着能源消耗和环境恶化，科学技术走上可持续发展的道路。在这种情况下，5G绿色通信系统已被广泛使用。本文介绍了RF反射到5G毫米波，其中线的视距（LOS）堵塞是用于覆盖的主要障碍中的应用。特别是，我们研究了RF反射的实验室测量，这是从理论到实践的一个关键步骤。此外，通过实验室测量，三维近场范围迁移（RM）成像为MIMO阵列配置算法，并且采样方案进行改进，节省了计算时间，同时提供高质量的图像。

1.介绍

在5G通信，能源效率已经成为无线网络的头等大事。研究了大量在过去一直做，以减少能源消耗。资源分配，异构网络部署，传输方案的优化，以及节能高效算法的发展，已成为研究的重点。小细胞部署是业界广泛接受的战略，以实现未来的5G系统的各种性能和效率指标。然而，小蜂窝基站的部署通常在维护与本站资源不足的问题。本文提出使用RF反射器，仅反映现有波，而无需额外的能量消耗，减少占地，节省维护资源，并且具有更高的商业利用价值的方法。

与传统的有源中继器相比，无源中继器(PRs)具有维护、制造和运行成本低等优点，已不可避免地应用于大规模多输入多输出(MIMO)系统中。

为了在多径环境下实验讨论MIMO的信息容量，PR包括一个功率合成器、一个平面八木天线和一个四元折叠贴片天线(FPA)阵列[1,2]。讨论结果表明，宽角散射和偏振转变的性能可以被实现。同时，该系统的接收功率和信道容量获得的成就，该四单元PR可以提高无线接入系统中的传播信道。

现有研究建议采用可调谐无源中继器的MIMO信道操作系统[3.]。该天线有多个天线，在这些天线之间存在移相函数。可以控制PR的元素，从而获得最大的MIMO信道容量[4]。实验结果表明了所提出的无源中继器的有效性。

反射阵列天线是一种扁平的低轮廓反射器，包括一平面阵列的微带贴片元件，用于反射主光源照射时经过某些调谐的特殊波束方向和形状[5,6]。与传统的抛物面反射面天线相比，平面反射面阵列具有部署方便、制造成本低、体积小、质量低等优点，能够实现反射面阵列的表面安装，在MIMO系统中起着更加重要的作用。

反射镜可用于改善传播通道条件，在固有条件较差的环境中表现出显著的性能。大多数研究表明PR可以提高MIMO系统的性能，因为MIMO有多个流需要传输，需要多条路径[7]。在无源中继器方面，中继器中没有放大器，也没有振荡器。

利用MIMO系统的反射器开辟了认为传播信道的新的线可以有意地改变，例如，移动的物体。追求更高的性能增益和驱动更大的系统运行效率，需要更积极的方法。

The mmWave communications utilize the 30–300 GHz frequency band with rich spectrum resources for multigigabit transmissions, which is one of the most promising technologies for 5G [8,9]。在[10- - - - - -12]中，示出的是，通过使用高定向天线阵列，所述毫米波带可以被分配给蜂窝通信。更高的频率带来更高的带宽。先进的RF波束形成使用高增益天线先进在毫米波频率和MIMO数字波束形成技术支持RF反射器的发展[技术13,14]。因此，本文的研究是基于毫米波波段的。

本文采用三维射弹射线跟踪和测量方法，对实际办公环境中mmWave的室内传播进行了模拟。此外，通过在mmWave频段设计新的无源中继器，改善了非视距信道环境，并将其体现在射线追踪过程中。

目前，Pozar等人提出可以将宽带反射阵列视为PR来解决盲区问题[15]。然而，如果一个非常大的散射角是在反映阵列的物理限制的情况下测试时，反映阵列的孔径效率大大降低到较低等级。

2.反射阵列作为5G中继器的基础知识

2.1。无源中继器原理

数字1表明了该无源中继器。在这个方案中，有和发射机天线和接收方 ,分别。假设从发射机到接收机的直接路径上的信号较弱。公关中所处天线。从信道矩阵至从至通过分别HPT和HRP，表示。

在被动中继器的相移由下式给出 的通道至用 在哪里 描述了在相移的数量天线。

综上所述，所提出的可调无源中继器方案是可行的。当可用天线数量足够时，相移的值可能是离散的和二进制的，例如，实际上，一些相移图被随机分配给Rx，它可以观察系统的吞吐量。Rx将所有这些模式的最好结果反馈给中继器。即使采用二进制移相器，仍有多个相位图()存在。有些模式没有必要去测试，因为好的模式是允许的，它也不一定是最好的。遗传算法由于具有较高的计算效率，易于获得次最优解而得到广泛应用。因此，遗传算法可以通过选择相位模式来保证最大的信道容量和吞吐量。

数字图2（a）示出有三种路径组成穿透路径，衍射路径，以及在非视距区域反射的路径。如在图中所示图2（c），所有这些路径都被用于光线追踪模拟。在这些路径中，采用无源中继器和增加重辐射路径，解决了这些路径在非los路径中损耗大的问题。数字图2（b）示出了由中继器被动产生的再辐射路径。用于光线跟踪无源转发器的模拟的新程序显示在图图2（d）。利用双基地雷达截面图及无源中继器的接收功率，可取得再辐射路径[9]。所有的路径，包括直接路径，衍射路径，穿透路径，反射路径，和再辐射的路径，可以通过后处理进行组合。

所述单单元无源中继器的结构如图所示3.，由功率合成器、平面八木天线及四元FPA阵列组成。由于其紧凑的尺寸，FPA元件位于衬底的顶部，其选择与[2]。平衡天线的大小和增益是一个重要的和通用的设计。因此，当高增益成为业界和学术界关注的焦点时，也可以选择其他尺寸稍大的平板天线类型。

最常见的八木宇田阵列上0.25从贴片远离与一个被驱动的元件和两个导向器和所述接地面位于制造并仅作为一个反射镜[12]。此外，具有适当参数的波纹周期地面层可以通过支持或抑制h平面上的一些旁瓣来提高天线增益。底部侧功率合成器连接到底部天线的输入端口。贴片元件的馈电探针穿过接地面上的孔，连接到电源合成器的输入端口。

事实上，入射波通过PR反射可以指向任何方向。接收FPA阵列时，接收到的电磁(EM)波可传送至八木田天线[16]。文献[5)透露了更多有关公关的细节。

2.2。Reflect-Array原则

在PR中的每个元素需要被专门设计通过散射通过适当的相位补偿入射波以产生在特定方向上的光束。数字4举例说明一个标准微带反射阵列的结构。由于反射元件的影响，再辐射场由偶极子沿随机方向形成。 在哪里被定义为进料模式功能和定义为寄生偶极元的模式函数。的位置向量个元素由下式定义而对于馈电喇叭天线则是由 。所要求的反射阵列主波束指向方向由 。散射场所需的相位个元素由下式定义 。

为了使孔径分布以达到所期望的方向， ,该条件是通过描述 其中来自距离个数组元素的源进料由下式定义 ;也就是说, 。

波数，表达式是 同定义为工作频率的频率选择面(FSS)地面。

在无线通信中，在复杂的街道、高楼林立的区域和闭塞区域，消除基站天线盲点是一个非常重要的问题。通常，射频(RF)助推器有能力扩大蜂窝网络覆盖区域，而标准的射频助推器在收发器、电源供应、电缆等方面的成本很高，而且在安装区域受到限制[17]。

因为建筑的堵塞，为用户从BS的一部分接收的信号差。考虑到这一点，对于用户的一部分谁在咬合区如图可以通过使用无源转发器来增强接收的信号5。灰色区域和绿色区域分别代表建筑所占的面积和无源中继器所反映的面积。

在实际情况下，通道环境是时变的，由于物体的移动、粗糙表面或物体的尖锐边缘(如汽车、树叶、灯柱)，通道环境变得相对复杂。在复杂的街道上，在无线通信过程中，从发射机到接收机，信号投射在行驶车辆上的频率会发生偏移，散射现象会影响无线通信，如图所示6。

3.三维近场RM成像算法

在MIMO配置下，可在二维成像上模拟完成三维图像重建过程;即背散射数据在二维孔径和实测频带的两个空间坐标上进行相干积分。天线阵列在近场产生球形波。考虑到空间分辨率和采样间隔的影响，本文采用时隙插值确定专用时间和相位，得到均匀间隔的数据[18]。

本文提出的改进采样方法有效地解决了传统三维成像采样时间过长的问题，在降低图像失真的前提下节省了大量的采样时间[19]。

数字7呈现二维线性MIMO成像几何结构。在连续波的波场中，发射天线和接收天线构成的MIMO阵列照亮位于阵列孔径接近目标平面。

在成像过程中如图所示7中，扫描范围是 ，采样间隔为 ,采样点的阶跃频率是 。目标位置设置为 ;发射天线和接收天线位于 分别，其中式中的下标表示轴 , 。因此，发送和接收相位延迟 ,在哪里 , , , 。

让接收到的信号继续 和目标反射率 。考虑扩展损失; 可以表示为 在哪里表示发射机到目标的距离，同理表示接收端距离。

傅立叶变换所接收的信号执行： 在哪里

上面的分析适用于相应的收发器对单个散射点;下式来表示接收到的总波场： 因此，计算二维成像的反射率为 在哪里

上述算法模型描述了2D成像的具体过程。类似地，可以在每个采样点的每对收发器，其被容易地推广到3D范围内获得的三维数据阵列。数字8示出了MIMO阵列的3D成像的几何形状。

因此，计算三维成像的反射率图为

表示成像过程中获得的背散射数据集 。数字9是一个完整的三维MIMO-RMA图像重建流程图。

4.数值模拟和空间采样方案

数字10给出了数值模拟中使用的目标。目标包括27个散射点，目标中心与天线阵之间的距离为0.75 m。天线阵面积为1 m×1 m;发射天线和接收天线之间相距0.5 cm。频率范围为8 - 12ghz，以40mhz的步长共采样101个点。

利用MIMO-RMA重构三维反射率图像，仿真结果如图所示11。处理时间约为15秒，动态范围设置为20分贝。

常规采样方法通常需要几个小时到样品的方位角和仰角[20.]。Still based on 1 m × 1 m antenna and 0.5 m sampling step, the traditional sampling scheme requires 2 hours of processing time. The improved sampling scheme can save a lot of time, and six improved sampling schemes are as follows in Figure12。

在仿真实验中，我们以动态范围和空间采样时间作为衡量每种采样方案性能的标准。

4.1。动态范围

数字13示出了点散射模型，其中包含10台具有相同的反射率散射的点。对于该模型，六个采样方案的数值模拟结果显示在图14。

通过对结果的分析，除了图14 (b)，其他采样程序可以产生相应的动态范围的高分辨率图像。方案(b)缺乏高程方向的采样过程，导致部分散射点无法识别。(a)动态范围大。实际情况往往要求动态范围不小于6 dB的条件，因此方案(c)和方案(f)可以实际应用。

4.2。空间采样时间

在不同的操作系统中，空间采样时间可以是不同的。一个典型的系统包括用于确定从IF带宽和扫描点的单次扫描时的网络分析仪。For example, in the N5247A system, set the IF bandwidth of 10 KHz and set the 401 scanning points; the single scan point of a single scan time is 155 ms [21]。表中列出了六种采样方案的动态范围和采样处理时间1。

5.结论

在本文中，我们结合5G RF反射器的实验室测量与理论算法来研究解决毫米波频带中的线的视线阻塞问题RF反射器的应用。和3D近场范围迁移（RM）成像为MIMO阵列配置算法。该算法可以有效地减少图像畸变和重构高质量的图像。最后，通过提高采样方案，采样时间大大缩短，这使得整个算法更加实用。

的利益冲突

作者声明，本论文的发表不存在任何利益冲突。

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