技术关联与5G应用:相控阵,自适应天线,智能天线和MIMO

云脑智库 2022-10-03 00:00


 

1 天线阵 

Antenna Array

天线阵就是按某种几何规则排列形成的一组天线,其中的单个天线称为“阵元”。

1、线阵

排成直线的一组天线称为线阵,最常见的是均匀线阵。“均匀”是指各阵元之间的距离相等,天线“均匀排列”。当然,也有非均匀线阵。

线阵的方向图是一维的,一般应用于水平面(方位角)。

图1 均匀线阵示意图

2、面阵

最常见平面阵是均匀圆环阵(通常称为均匀圆阵),其它的有L形、矩形、多边形、圆平面等等。

平面阵的方向图是二维的,包括方位和仰角。

图2 均匀圆阵示意图

图3 矩形平面阵示意图

3、立体阵

立体阵即3维(3D)阵列。最简捷的一种3D阵列可由多个均匀圆阵堆积而成。最近几年3D阵列在5G 大规模MIMO中的应用研究受到关注。

4 立体阵示意图

 

2 相控阵

Phased Array

相控阵是最早获得实际应用的天线阵列,主要应用于雷达——相控阵雷达。

相控阵的主要目的是实现阵列波束的空间扫描,即所谓电扫描。


图5 相控阵示意图

相控阵通过对各天线阵元通道的相位(或时延)控制(时延调整),形成天线阵的空间波束指向。不断地改变各阵元的相位控制,可实现波束对空域的扫描,无需旋转天线。


图6 相控阵波束示意图

相控阵的相位控制通常在射频实现,为模拟实现。除了相位控制外,有时也进行增益(例如使用可控衰减器)控制。与数字波束形成相比,相控阵只需要一个含上下变频和ADC的射频链路,硬件成本低,特别是当阵元数目很大时,优势明显。

相控阵历史悠久,不断发展。最近几年,相控阵的概念及其相关技术在5G无线通信的研究中受到了关注。

图7 雷达相控阵.(原图来源:网络)

 

3 自适应天线

Adaptive Antennas

自适应天线的概念在上世纪70年代后期开始出现,也称为自适应阵。

自适应天线使用权值对各天线通道的增益和相位进行调整——复系数加权,使之在通信方向形成高增益的波束,同时还可以在需要避免干扰的方向形成波束“零陷”。因此,它的作用是:以增强信号、抑制干扰为目的,自适应地形成阵列方向图。


图8 自适应天线示意图

图9 8阵元线阵自适应天线波束仿真

自适应天线的关键是各阵元通道的权值W。在自适应天线系统中,由自适应信号处理算法计算W,因此,自适应算法是自适应天线的核心。显然,自适应天线波束形成适宜数字实现。

图10 自适应天线实现框图

自适应天线作为空域抗干扰技术,在军事电子系统中具有重要应用价值。有一种专门用于抗干扰的自适应天线叫“调零天线”,又称“零位天线”,它的关注点是在受干扰的方向自动将阵列方向图“调零”——即在受干扰的方向自动形成波束零陷。

图11 自适应天线军事应用示意图

自适应天线在上世纪90年代后期被考虑应用于蜂窝通信,以增加期望用户信号,同时抑制(接收时)来自非期望用户的干扰、避免(发射时)对非期望用户造成干扰。见图8和图12。

图12 自适应天线在移动通信中应用示意图 (原图来自:Mamta Agiwal, et. al., Next Generation 5G Wireless Networks: A Comprehensive Survey,IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 18, No. 3, 2016)

相控阵的目的是波束扫描,它对“干扰”的抑制(或避免)主要是依靠方向图“低旁瓣”(见图6),而自适应天线自动形成方向图“零陷”(见图9),具有明显的抗干扰特色。而且,有的自适应算法形成的方向图零陷与干扰的强度有关,干扰越强,零陷越深,因此,自适应天线对付强干扰很有效。


4 智能天线

Smart Antenna

智能天线是上世纪90年代后期移动通信领域提出的概念。

在移动通信中,智能天线部署在基站,它的主要目的是:使高增益波束指向期望用户,同时避免对其它用户方向的干扰。可见,智能天线其实与自适应天线本质上并无多大差别。

与自适应天线类似,智能天线的波束形成也是通过各阵元通道的加权实现。只是除了“自适应”方式外,还有一种智能天线是“波束切换”天线,它通过切换窄波束来选择移动用户。

 无论是相控阵、自适应天线还是智能天线,都可以形成收、发波束,也都可以同时实现多波束。

图13 单波束智能天线

图14 适应多波束智能天线


图15 基于多波束切换的智能天线

 

图16 笔者早期参与研制的智能天线系统


5 MIMO

Multiple-Input Multiple-Output

MIMO系统即“多输入多输出”系统,名称上并无技术内涵,比相控阵、自适应天线、智能天线具有更宽泛的含义。

MIMO系统是智能天线在移动通信领域发展导致的新概念,它的主要目的是抵抗信道衰落(空间分集)和增加数据传输速率(空间复用)。空间分集和空间复用的概念都可以推广,比如,协作分集等。最近几年,在5G毫米波通信的研究中,使用相控阵实现空分多址也成为MIMO研究的一个新热点。

无论是相控阵、自适应天线还是智能天线,其相关的一个重要概念就是“波束形成”,也叫波束成形或波束赋形。它们的核心问题是寻找最优的加权矢量W(对于多波束形成是加权矩阵)。在MIMO的早期研究中,并不涉及“空间波束”的概念,而是“空时编码”的概念。但是,在最近的5G大规模MIMO和毫米波通信研究中,“空间波束”的概念被广泛应用于MIMO系统。所以,更广义地,不妨可将相控阵、自适应天线、智能天线看作是MIMO系统的特例。

1、空间分集

当多个天线所处的空间位置较远时(其距离相对于信号波长而言),其接收信号的衰落特性是相互独立的,用适当的方法把它们组合起来,即可获得比单天线接收要稳定得多的信号,此即接收分集。

在“MIMO”出现之前,接收分集已经广泛应用。但是,由于要求多天线且它们之间的距离足够远,在很多场合无法应用空间分集,例如小型移动终端。

上世纪90年代末,出现了发射分集。在发射端部署多天线,采用空时编码,可以帮助接收端获得类似于在接收端部署多天线的分集效果。即,如果在基站部署多天线,采用发射分集技术,手机便可获得空间分集增益。

在MIMO空间分集的研究中,更多的是关注发射分集,主要实现技术是“空时编码”,经典代表是Alamouti算法。

图17 MIMO 分集(发射分集)示意图

2、空间复用

空间复用是“空间信道复用”,在多径丰富的情况下,多天线所处不同空间位置构成的多个空间信道,可以区分开来,因而可以用相同的频率并行传输信息,即实现“多流”传输。

空间复用最典型的代表是贝尔实验室提出的V-BLAST(垂直分层空时码)。空间复用也可以用预编码实现。

与空间分集类似,空间复用要求多个空间信道具有独立性。如果发射和接收端的天线数分别为M和N,信道矩阵为H的秩为r,则空间复用的“多流”数目最多为r,r≤min{M,N}。

当空间复用的概念推广应用于多用户系统时,便是“空分多址”。


图18 MIMO空间复用示意图

3、空间调制

空间调制是用信息比特“选择”天线,如果每个(组)天线对应的空间信道不同,那么,就可以区分是哪个(组)天线发射了信号,由此即可“推断”发射的是怎样的信息比特。

空间调制后来被归入“索引调制”(Index Modulation),因为空间调制的本质是将信息比特映射为天线的索引(index)。

索引调制通常是和传统调制方式并存,但有选择索引的这部分信息比特是”隐性“传输——并没有将其进行符号调制然后发送到接收端。

空间调制可以节省功耗,节省RF链路(RF链路少于天线数目)。

图19 空间调制与空间分集和空间复用的比较 (原图来自:Di Renzo et al.,Spatial Modulation for Generalized MIMO: Challenges, Opportunities, and ImplementationProceedings of the IEEE,Vol.102, No.1, January 2014 )

4、预编码

预编码在MIMO的研究中占有重要地位。它可以在发端进行编码,抵抗信道衰落和收发多天线之间的干扰,可以达到分集、干扰抑制和空分复用的效能。

类似发射分集,预编码把大量的工作移到发端,降低接收端的信号处理工作量。

预编码的含义有点像“预失真”的概念,它针对信道特性在发端进行编码,以抵抗信道的影响,例如,针对信道可能引起的符号间串扰进行预编码,针对发端多天线对收端的干扰进行预编码,针对基站发射信号对非期望用户的干扰进行预编码,等等。

预编码在MIMO的研究中占有重要地位。MIMO预编码可以达到空间分集、空间复用、干扰抑制以及空分多址等效能。


图20 预编码示意图. SVD预编码,又称特征波束形成,实现 r 流空间复用,r=rank(H)


图21 MIMO多用户下行信道预编码示意图.  ZF预编码,抑制发端对非期望用户的干扰,实现下行多用户信息并行传输。


6 在5G中的应用

相控阵、自适应天线、智能天线和MIMO的概念和相关技术,将在5G无线网络中得到充分展现。特别是,大规模MIMO毫米波相控阵以及移动终端MIMO,将在5G NR中扮演十分重要的角色。

图22 5G无线网络示意图。(原图来自:Mamta Agiwal, et. al., Next Generation 5G Wireless Networks: A Comprehensive Survey,IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS, VOL. 18, NO. 3, 2016)

1、大规模MIMO

大规模MIMO是5G NR的关键技术,也是5G的鲜明特色之一。大规模MIMO的天线数目可达几十至上百个,也有的实验系统在毫米波频段做到了1024×1024阵元。

MIMO的研究初期,主要以空时编码为为特色,而波束形成在目前又受到了青睐,特别是,能实现“方位空分”和“仰角空分”的2维波束形成,成为新的研究热点。

图23 大规模MIMO二维波束跟踪示意图

图24 大规模MIMO波束形成示意图. (原图来自:Mamta Agiwal, et. al., Next Generation 5G Wireless Networks: A Comprehensive Survey,IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS, VOL. 18, NO. 3, 2016)

大规模MIMO的部署示意和外场测试情形见下图。


(a)

(b)

图25 大规模MIMO示意图. (a)大规模MIMO部署示意图,(b)测试中的大规模MIMO.  (原图来自:Erik G. Larsson, et al., Massive MIMO for Next Generation Wireless Systems, IEEE Communications Magazine,February 2014)

2、毫米波通信

毫米波通信也是5G NR的重要技术。要实现很高的数据传输速率,就必须要有大带宽,因而使用的频率就要足够高。毫米波频段的使用,是满足5G高速数据传输的重要保证。

毫米波直线传播,天线阵的阵元可以做到几百甚至上千个,非常适合空分多址。但如果采用数字波束形成,所需的射频链路(收发信机)多大几百上千个,是不现实的。而在射频部分采用模拟波束形成,复杂度就大大降低。

毫米波的大带宽,加上密集的空分多址,数据比特传输速率有望达到Tb/s.

图26 利用相控阵实现空分多址. (原图来自:Bonjour et al.,Time-to-Space Division Multiplexing forTb/s Mobile Cells, IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 17, No.7, July 2018)

为了充分发挥数字域处理的灵活性,人们提出了组合预编码方案,即同时在基带和射频部分进行预编码。不过,这里的所谓射频部分的预编码,其实是模拟波束形成(在一些文献中,把实现多流传输的波束形成也称为预编码)。

在组合预编码中,所需的射频链路数目L可以远远小于天线数目,即下图中L


a)

(b)

图27 组合预编码 .(a)全阵,(b)子阵

3、5G移动终端

由于频率高,尤其是毫米波,天线体积很小,使得多天线技术在5G移动终端应用成为可能。

当前,包括毫米波、5G sub-6Ghz频段的智能手机相控阵波束形成、MIMO技术的研究和开发,已经引起人们的关注。可以相信,多天线收手机最终将成为现实。


(a)

(b)

(c)

图28 波束形成应用于智能手机示意图. (a)具有8个8阵元分布式相控阵的5G智能手机示意图,(b)头部使用模式示意图,(c)典型的手持模式及其相应的波束控制示意图. (原图来自:Y. Huo et al., 5G Cellular User Equipment: From Theory to Practical Hardware Design,IEEE Access,Vol.5,2017)

图29 手机MIMO天线增益仿真. (a) 右手模式,3600 MHz, (b) 右手模式, 5500 MHz, (c) 左手模式,3600 MHz, (d) 左手模式,5500 MHz, (e)双手模式, 3600 MHz, (f) 双手模式, 5500 MHz. (原图来自:Y. Li et al.,12-Port 5G Massive MIMO Antenna Array in Sub-6-GHz Mobile Handset,IEEE Access,Vol.6,2018)


本文作者:葛利嘉,教授,博士。研究方向:阵列信号处理,超宽带无线电,高速无线传输技术,通信信号处理,人工智能及其在通信和信息处理中的应用

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