Гибридный MIMO Beamforming с QSHB и алгоритмами HBPS

Этот пример использует:

Эти подарки в качестве примера модель Simulink® кратного ввела несколько, выводят (MIMO) систему радиосвязи. Беспроводная система использует гибрид beamforming метод, чтобы улучшить системную пропускную способность.

Введение

5G и другие современные системы радиосвязи экстенсивно используют MIMO beamforming технология для сигнала к шумовому отношению (ОСШ) улучшение и пространственное мультиплексирование, чтобы улучшить пропускную способность в рассеивателе богатые среды. В богатой рассеивателем среде, там может не существовать пути угла обзора (LOS) между передающими и приемными антеннами. Получать высокую пропускную способность, MIMO beamforming предварительное кодирование реализаций на стороне передатчика и объединение на стороне приемника, чтобы увеличить ОСШ и разделить пространственные каналы. Полная цифровая beamforming структура требует, чтобы каждая антенна имела специализированную цепь RF к основной полосе, которая делает полное оборудование дорогим и потребление энергии высоко. Как решение, гибридный MIMO beamforming предложен [1], в котором меньше цепей RF к основной полосе используется и частичное из предварительного кодирования, и объединение реализованы во фрагменте RF. С преднамеренным выбором весов для того, чтобы предварительно закодировать и объединиться, гибрид beamforming может достигнуть сопоставимой эффективности как того из полных beamforming.

В этом примере мы начинаем модель Simulink с гибридного MIMO beamforming. Эта модель показывает два гибрида beamforming алгоритмы: Квантованный разреженный гибридный Beamforming (QSHB) [2] и Гибридный Beamforming с Пиковым Поиском (HBPS).

Следующий рисунок показывает структуру гибрида beamforming система.

На рисунке, $N_s$ количество потоков сигнала; $N_T$ количество антенн передачи; $N_{RF}^T$ количество передачи цепи RF; $N_R$ количество, получают антенны; и $N_{RF}^R$ количество, получают цепи RF. В этом примере, двух потоках сигнала, 64 антеннах передачи, 4 передачи цепи RF, 16 получают антенны, и 4 получают цепи RF.

Рассеивающийся канал обозначается $H$ . Гибрид beamforming веса представлен аналоговым предварительным кодером $F_{RF}$ , цифровым предварительным кодером $F_{BB}$ , аналоговым объединителем $W_{RF}$ и цифровым объединителем $W_{BB}$ . Для более подробного введения в гибрид beamforming, обратитесь к Введению MATLAB в Гибридный пример Beamforming.

Исследование модели

Модель Simulink состоит из четырех основных компонентов: Передатчик MIMO, Канал MIMO, Приемник MIMO и Вычисление Весов.

Передатчик MIMO генерирует поток сигнала и затем применяет предварительное кодирование. Модулируемый сигнал распространен через рассеивающийся канал, заданный в канале MIMO, и затем декодировал и демодулировал в стороне приемника.

Канал рассеивания MIMO

Канал рассеивания MIMO представлен матрицей канала. Кроме того, этот пример использует активированную подсистему, чтобы периодически изменить эту матрицу, чтобы симулировать то, что канал MIMO может варьироваться в зависимости от времени.

Гибридный расчет весов Beamforming

В гибриде beamforming система, и предварительное кодирование и соответствующий процесс объединения сделаны частично в основной полосе и частично в полосе RF. В общем случае beamforming, достигнутый в полосе RF только, включает сдвиги фазы. Поэтому критическая часть в такой системе должна определить, как распределить веса между основной полосой и полосой RF на основе канала. Это сделано в блоке Weight Calculation где веса перед кодированием, Fbb и FrfAng, и объединение весов, Wbb и WrfAng, вычисляются на основе матрицы канала, H. В этом примере мы принимаем, что матрица канала известна, и обеспечьте и QSHB и алгоритмы HBPS.

Квантованный разреженный гибридный Beamforming (QSHB)

Литература [2, 3] показывает, что, учитывая матрицу канала, H, канала рассеивания MIMO, гибрид beamforming веса может быть вычислен через итеративные алгоритмы [2]. Используя ортогональный алгоритм преследования соответствия, получившиеся аналоговые веса предварительного кодирования/объединения только регулируют векторы, соответствующие доминирующим режимам матрицы канала. Для подробного описания алгоритма обратитесь к Введению в Гибридный пример Beamforming.

Квантованный разреженный гибридный Beamforming с пиковым поиском (HBPS)

HBPS является упрощенной версией QSHB. Вместо того, чтобы искать доминирующий режим матрицы канала итеративно, проекты HBPS все цифровые веса в сетку направлений и идентифицируют $N_{RF}^T$ и $N_{RF}^R$ достигают максимума, чтобы сформировать соответствующий аналог beamforming веса. Это работает хорошо особенно для больших массивов, как массивы, используемые в крупных системах MIMO, поскольку для больших массивов, направления, более вероятно, будут ортогональными.

Поскольку матрица канала может изменяться в зависимости от времени, расчет весов также должен быть выполнен периодически, чтобы вместить изменение канала.

Результаты и отображения

QSHB

Следующие рисунки показывают восстановленные 16 потоков символа QAM в приемнике с помощью алгоритмов QSHB. Получившееся созвездие показывает это по сравнению с исходным созвездием, восстановленные символы, правильно расположенные в обоих потоках. Это означает, что с помощью гибрида beamforming метод, мы можем улучшить системную способность путем отправки этих двух потоков одновременно. Кроме того, схема созвездия показывает, что отклонение первого восстановленного потока лучше, чем второй восстановленный поток, когда точки менее рассеиваются в созвездии первого потока. Это вызвано тем, что первый поток использует самый доминирующий режим канала MIMO, таким образом, это имеет лучший ОСШ.

HBPS

Результат HBPS показывают на следующих рисунках. Схема созвездия показывает, что достигает подобной эффективности по сравнению с QSHB. Это означает, что HBPS является хорошим выбором для симулированного 64x16 система MIMO.

Сводные данные

Этот пример предоставляет модель Simulink двух гибридов beamforming методы, QSHB и HBPS. Канал рассеивания MIMO используется, чтобы предоставить реалистическую модель канала для крупных систем MIMO. Модель Simulink разделена согласно функциям в потоке сигналов, который дает указания для аппаратной реализации. Для данного H количество символов может варьироваться, чтобы симулировать переменную когерентную длину канала. С этой моделью Simulink могут быть изучены различные системные параметры и новый гибрид beamforming алгоритмы. Структура системы упрощает аппаратную реализацию.

Ссылка

[1] Андреас Ф. Молиш, и др. "Гибридный Beamforming для Крупного MIMO: Обзор", Коммуникационный Журнал IEEE, Издание 55, № 9, сентябрь 2017, стр 134-141

[2] Oma El Ayach, и др. "Пространственно Разреженное Предварительное кодирование в волне Миллиметра Системы MIMO, Транзакции IEEE на Радиосвязях", Издание 13, № 3, март 2014

[3]. Эмиль Бджорнсон, Джэйкоб Хойдис, Лука Сангуйнетти, "крупные сети MIMO: спектральный, энергия и аппаратный КПД", основы и тренды в обработке сигналов: издание 11, № 3-4, 2017

Документация