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天线本科论文范文 探究5G多天线技术

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文/ 朱伏生 鲁照华 胡留军

车载天线

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数据业务的爆炸式增长对无线通信系统的网络容量提出了更高要求,多天线技术是满足第五代无线通信系统中网络容量需求的重要手段。其中,大规模天线阵列、协作多点传输、毫米波频带多天线通信技术代表了多天线技术在第五代无线通信系统中的发展趋势。

随着智能终端的兴起及无线数据应用业务的丰富,无线通信系统中的数据用户数大幅增加,数据内容不再限于传统的文字或图像。用户对高清晰度视频、手机电视等多媒体业务的需求越来越多,导致无线网络流量呈现出爆炸式增长的态势。根据市场预测,未来10年,无线数据业务将增长500~1000倍,平均每年增长1.6~2倍,这对无线通信系统的网络容量提出了更高要求。

提升无线通信系统网络容量的方法有多种,主要包括:提升频谱效率、提高网络密度、增加系统带宽、智能业务分流等。多天线技术是提升频谱效率的关键技术,已被IEEE802.11n、IEEE 802.16m、3GPP LTE/LTE-A等新兴无线通信标准所采用。然而,目前大部分理论研究和移动通信标准主要局限于天线数目较少的小规模MIMO系统,以获得约10bps/Hz的频谱效率,这难以满足未来第五代无线通信系统所面临的巨大容量需求。因此,基于多天线技术进一步提升频谱效率的方法获得越来越多研究人员的关注,其中大规模天线阵列、协作多点传输、毫米波频带多天线通信技术获得了越来越多的关注,代表了多天线技术在第五代无线通信系统中的发展趋势。

大规模天线阵列

大规模天线阵列技术的基本特征是通过在基站侧集中配置数量众多的天线阵列,获得比传统天线阵列技术(天线阵列数不超过8个)更为精确的波束控制能力,然后通过空间复用技术,在相同的时频资源上同时服务更多用户来提升无线通信系统的频谱效率,从而满足第五代无线通信系统中海量信息的传输需求(见图1)。大规模天线阵列技术可以很好地抑制无线通信系统中的干扰,带来巨大的小区内及小区间的干扰抑制增益,使得整个无线通信系统的容量和覆盖范围得到进一步提高。大规模天线阵列技术能够深度利用空间无线资源,理论上可显著提高系统的频谱效率和功率效率,是构建未来高能效绿色宽带无线通信系统的重要技术。

协作多点传输

协作多点传输技术是一种干扰消除技术,也可以理解成一种分布式天线传输技术,它的核心思想是通过小区间的联合调度和协作传输,使小区边缘用户的干扰信号变为有用信号,或降低来自相邻小区的干扰水平。

根据小区之间信道状态信息和数据信息共享程度的不同,其传输机制主要有两种(见图3):

联合处理(Joint Processing,简称JP)指的是信道信息、用户数据在协作集合中的每个小区可以共享,包括联合传输( J o i n t T r a n s m i s s i o n , 简称J T ) 和动态小区选择(Dynamic cell selection,简称DCS)两种实现方式。其中,联合传输是指相邻的多个小区为同一用户或多个用户发送数据,可以将小区间的干扰变为有用信号;动态小区选择是指每次传输时从协作集合中选择信道质量最好的小区为用户提供服务。

协作调度/ 波束成形( C o o r d i n a t e d S c h e d u l i n g /Beamforming,简称CS/CB)指的是协作集合之间只共享信道信息,通过波束控制或调度方式来降低相邻小区对用户的干扰。在第五代无线通信系统中,协作多点传输技术的协作集合会更大,例如超密集网络场景下,其性能的好坏取决于小区之间回程线路(backhaul)的传输容量、时延等因素,在设计具体方案时需要重点考虑这些问题。

毫米波频带多天线通信

移动通信的快速发展使得在无线传播特性较好的3GHz以下的频带中可用的频谱资源非常稀缺,但是3GHz~300GHz频带(波长从1到100毫米,统称为毫米波)范围内却有大量可用的频谱资源,初步预测可用频谱资源是目前3 G H z以下LTE系统可用频谱资源的200倍以上。如何利用这部分频带范围内的信道传播特性进行移动通信宽带通信系统设计,是非常值得思考的。

常见的工作在毫米波频段的点对点微波中继通信系统得益于巨大的可用频谱资源,可以在数公里的传输距离上实现Gbps级别的传输速率。然而,这些设备体积庞大、功耗高,要 发双方位置固定且存在直射径的通信环境,相关技术并不适合于移动宽带通信系统。另外,60GHz的免授权频段由于氧气对电磁波的吸收能力比较强,只适合于短距离无线通信,IEEE 802.11ad及802.15.3c已制定了使用该频段的规范。

如图4所示,根据现有的研究成果,在3GHz~300GHz的毫米波频谱资源中,由于57GHz~64GHz频谱资源受到氧气吸收影响,64GHz~200GHz频谱资源受到水蒸汽吸收影响,使得这些资源仅适合于短距离通信,剩余252GHz的海量频谱资源传播特性存在一定的相似性,都是大覆盖范围的移动宽带通信系统潜在的可用频谱资源。

通常认为, 自由空间传播损耗依赖于频率, 频率越高,损耗越大。但该结论成立的前提是天线接收的有效面积依赖于频率,频率越高,有效面积越小。考虑到单位面积上可摆放的天线数量与频率成反比,所以在毫米波频带段可以通过更多的天线进行波束赋形获得更高的增益。例如, 在相同的天线面积下, 相比于工作在2 . 4 G H z 频带的系统,工作在80GHz频带的系统通过更多的天线可获得约30dB左右的增益。

穿透损耗是无线通信中必须重视的问题,它会影响室外基站对室内用户的覆盖。研究表明,相比于3G H z以下的频段,使用毫米波频段的室外基站信号在穿透某些建筑材料(砖块、混凝土等)时损耗非常大,达到上百dB,无法对室内用户提供服务,这个问题可通过在室内放置WiFi等低功率节点来解决。

对毫米波通信而言,植被穿透损耗也需要引起重视。图5给出了植被厚度为5米、10米、20米、40米情况下的不同频率的穿透损耗经验值。可以看出,植被越厚,不同频率间的穿透损耗越大,对使用毫米波频带进行大覆盖范围的移动宽带通信系统的性能影响越大。

雨衰对毫米波通信的影响也是必须考虑的因素。如图6所示,当雨量达到150mm/h时,衰落值高达数十个dB,会造成通信链路的中断,但这种雨量出现的几率比较低,而且也只存在于全球部分地区。

毫米波在实际的无线通信环境中传播时,存在反射和衍射,形成多径,其限制毫米波传播范围的同时也使毫米波通信可在非视距传输场景中使用。考虑到利用毫米波频带进行大覆盖范围的移动宽带通信系统通过多天线可以形成很窄的波束, 因此多径成分不会很多。实测表明在城区环境下,毫米波的多径时延为1 n s~1 0 n s,相关带宽为10MHz~100MHz。

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多普勒频移依赖于用户的移动速度及工作载频,在富散射、移动速度为3km/h~350km/h、采用全向天线的环境中,毫米波通信的多普勒频移为10Hz~20kHz,接收端在不同方向上多普勒频移不同,形成较大的多普勒频移扩展范围。利用毫米波频带进行大覆盖范围的移动宽带通信系统通过多天线可以形成很窄的波束,有效降低多普勒频移扩展范围。为了保证使用毫米波频带的移动宽带通信系统拥有与传统的移动通信系统接近的覆盖范围(特别是数据容量要求最多的城区环境中),使用毫米波频带的发射机或接收机需要放置更多的天线形成更窄的波束,可以在抑制小区间干扰的同时扩大系统的覆盖范围。

如图7所示,使用毫米波频带的移动宽带通信系统预定义若干个发送波束和接收波束。

实现过程中,接收端在获取不同发送波束和接收波束组合后得到一组接收SINR,根据最佳SINR,得到最优的组合发送波束和接收波束组合,例如发送波束i和接收波束j,然后接收端反馈最优发送波束选择结果i给发送端,发送端得到该反馈信息后,使用该发送波束给对应接收端传输数据,对应接收端也使用接收波束j来接收数据。

美化天线

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上述预定义波束选择过程还可以进一步优化,假设发送侧先发送比较宽的波束让终端确认初步的最优发送波束方向,确定后再以初步最优波束方向为基础在其附近发送更窄的波束,就可以加快波束选择过程,不过这种方式会增加终端的反馈开销。

表1 给出了使用毫米波频带的移动宽带通信系统在28GHz、80GHz频带上使用500MHz带宽的上下行链路预算情况,其中,路损计算采用自由空间损耗公式,由于毫米波频段的信道特征引入的额外衰落假定为20dB。

从表1的链路预算结果可以看出,使用毫米波频带的移动宽带通信系统的下行容量可以达到Gbps级别,最大上行容量可以达到百Mbps级别。

毫米波频带多天线通信与低频多天线通信的主要区别在于引入了波束的概念,需要考虑波束训练、波束切换、波束恢复等问题。

性能仿真

通过对大规模天线阵列技术和协作多点传输技术的仿真结果进行对比,可知在理想backhaul条件下,协作多点传输的性能优于大规模天线阵列技术。

该仿真结果的形成原因为:

大规模天线阵列技术仿真中,当复用用户数目到达一定数目时,复用用户之间的信道相关的概率会增加,此时使用Zero-Forcing算法抑制小区内干扰的同时会造成自身性能的下降;另外,随着复用用户数目的增加,每个相邻小区的复用用户数目也相应增加,干扰在各个方向都有能量,导致邻小区的干扰水平提高。

协作多点传输技术仿真中天线分布在不同的物理位置上,用户间的信道相关性较小,比较独立,从而能比大规模天线阵列技术复用更多的用户。

需要说明的是,系统仿真中假设协作多点传输技术多个小区之间是理想backhaul,即容量、时延均不受限,但在实际系统部署时较难满足这种需求。

总之,对多天线技术在第五代无线通信系统中的发展趋势、需要解决的关键问题及可能的解决手段进行研究,有利于进一步提升频谱效率。后续研究重点将集中在大规模天线阵列技术中信道信息获取/反馈、协作多点传输中高效信令和数据交互以及毫米波多天线通信波束管理等技术领域。

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