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混合波束形成:未来5G建设的新主力

发布时间:2021-02-23 14:41  浏览次数:28

波束形成是一种用于蜂窝通信和其他应用的成熟技术。波束形成最初是基于各种模拟信号链技术和过程发展起来的。一般来说,波束形成将天线阵列元素组合在一起,以控制的角度引导信号,使特定接收机能够接收达到最大信号。

模拟波束形成可以提高发射机和接收机的空间选择性和效率。然而,它仍然受到基于数字技术增强模拟处理的下一代波束形成技术的限制。数字波束形成或混合数字/模拟波束形成可以克服模拟波束形成的局限性,包括:

天线元件由单个数据流馈电,限制了数据速率;

灵活性不高;

可用光束的数量在硬件中是固定的;

由于针对数字域中的每个天线优化了不同的信号,因此数字波束成形可以克服这些限制并提供更大的灵活性。通过数字波束形成,不同的功率和相位可以分配到不同的天线和不同频段。此外,数字波束形成支持空间多路复用,使不同频段(子载波)具有不同的指向性。频域波束形成包括支持不同子载波的不同波束的能力,但频域波束形成的实现需要数字波束形成。

在时域波束形成的情况下,相同的波束应用于整个频率载波。时域波束形成通常用模拟波束形成技术来实现,虽然它也可以用数字波束形成来实现。但有一些技术限制阻碍了数字化波束形成的全面采用。

如今,全毫米波数字波束形成的两个重要问题是基带处理器的成本和电力需求。为了减少这些担忧,必须用低分辨率的转换器实现全毫米波数字波束形成,以保持前端的功耗在一个可管理的水平下。因此,从全数字方法所期望的空间多路复用增益只能以不可接受的信号退化代价来实现。

更糟糕的是,今天的通信协议都是基于使用模拟或混合波束形成的假设来设计的。这限制了充分利用数字波束形成的潜在优势的能力。在未来,控制和数据通道协议的规范可能会被修改,使全数字波束形成能够交付所需的低延迟通信和高质量的服务(QoS)。

混合波束1.jpg

针对全数字波束形成或全模拟波束形成存在的问题和局限性,一种有前景的解决方案就此诞生——混合波束形成。混合波束形成使用基带数字处理和射频域模拟处理的组合。几种混合波束形成解决方案正在开发中,在数字域和模拟域之间以及域内采用不同的系统划分方法。以寻求数字基带处理与模拟射频信号链处理的最佳组合。

混合波束2.jpg

在RF域内,数字基带处理与模拟移相器相结合的可触混合波束形成结构。

在众多可能的混合波束形成体系中,两个例子是全连接体系和子连接体系。在全连接结构中,每个射频链与所有天线相连。每个数字收发器的传输信号通过一个专用的射频路径(带有混频器,功率放大器,移相器等)。它在连接到天线之前被叠加。该方法具有较高性能,但同时也带来了较高的复杂性和能耗。使用这种方法的每台收发机实现全波束形成,预计可用于基站和类似的固定安装。

另一种被称为子连接波束形成体系结构的方法更适合于手机和其他应用程序,如汽车。在子连接波束形成中,每个射频信号链仅连接到可用天线的一个子集。这使得子连接架构更简单、更节能,但它的频谱效率较低,不适合频谱效率很重要的大型安装领域。

混合波束3.jpg

目前,为了补充现有的模拟和混合方法,研究人员还在开发波束形成和毫米波传输的新技术。例如,全息波束形成也可以在软件控制下塑造天线的无线电模式。可以认为这是一种软件定义的天线。最近开发的电子扫描天线技术,称为超材料表面天线技术,是基于衍射超材料的概念,利用高双折射液晶实现电子扫描。

除了超材料天线和全息波束形成,还有人对开发超材料来制造用于5G和未来6G网络的智能、数字控制反射面感兴趣。但使用智能反射面来控制无线传播环境是一大挑战。为此研究人员就要开发一种二维的超材料阵列的智能反射面,它可与电磁波的相互作用可以被控制,例如通过调节表面阻抗的变化。在6G中,这些表面可以将无线信号从发射机定向到接收机。最终的设想是根据无线信号数据来描述智能反射表面的行为,并开发一种控制算法来配置反射表面,以帮助无线通信。

5G通信的数字波束形成和相关技术发展迅速。这些技术以及智能控制反射面等相关技术预计将成为设计未来5G安装的重要元素。