Гибридное формирование луча MIMO с алгоритмами QSHB и HBPS

В этом примере используются:

В этом примере представлена модель Simulink ® системы беспроводной связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO). Беспроводная система использует метод гибридного формирования луча для повышения пропускной способности системы.

Введение

5G и другие современные системы беспроводной связи широко используют технологию формирования MIMO-лучей для улучшения отношения сигнал/шум (SNR) и пространственного мультиплексирования для улучшения пропускной способности данных в средах, богатых рассеивателями. В среде с большим разбросом между передающей и приемной антеннами могут отсутствовать пути линии визирования (LOS). Чтобы получить высокую пропускную способность, формирование луча MIMO реализует предварительное кодирование на стороне передатчика и объединение на стороне приемника для увеличения SNR и отдельных пространственных каналов. Полная цифровая структура формирования луча требует, чтобы каждая антенна имела выделенную цепь RF-к-основной полосе частот, что делает все аппаратные средства дорогими и потребляемой мощности высокими. В качестве решения предлагается гибридное MIMO-формирование луча [1], в котором используется меньшее количество цепочек RF-к-основной полосе частот, и в RF-части реализованы частичное предварительное кодирование и объединение. При преднамеренном выборе весов для предварительного кодирования и комбинирования гибридное формирование луча может достигать сравнимых характеристик, как и полное формирование луча.

В этом примере мы представляем модель Simulink с гибридным формированием луча MIMO. Эта модель показывает два гибридных алгоритма формирования луча: квантованное разреженное гибридное формирование луча (QSHB) [2] и гибридное формирование луча с пиковым поиском (HBPS).

На следующем рисунке показана структура гибридной системы формирования луча.

На рисунке $N_s$ - количество сигнальных потоков; $N_T$ - количество передающих антенн; $N_{RF}^T$ - количество передаваемых радиочастотных цепей; $N_R$ - количество приемных антенн; и $N_{RF}^R$ - количество приемных радиочастотных цепей. В этом примере два потока сигналов, 64 передающие антенны, 4 передающие радиочастотные цепи, 16 приемных антенн и 4 приемные радиочастотные цепи.

Канал рассеяния обозначается. $H$ Веса гибридного формирования луча представлены аналоговым предварительным кодером, $F_{RF}$ цифровым предварительным кодером, $F_{BB}$ аналоговым объединителем $W_{RF}$ и цифровым объединителем. $W_{BB}$ Для получения более подробной информации о гибридном формировании луча см. пример MATLAB Введение в гибридное формирование луча.

Изучение модели

Модель Simulink состоит из четырёх основных компонентов: MIMO-передатчик, MIMO-канал, MIMO-приемник и расчет весов.

Передатчик MIMO генерирует поток сигнала и затем применяет предварительное кодирование. Модулированный сигнал распространяется через канал рассеяния, определенный в канале MIMO, и затем декодируется и демодулируется на стороне приемника.

Канал рассеяния MIMO

Канал MIMO-рассеяния представлен канальной матрицей. Кроме того, в этом примере используется подсистема с включенной функцией для периодического изменения этой матрицы для моделирования того факта, что канал MIMO может изменяться во времени.

Вычисление веса гибридного луча

В гибридной системе формирования луча и предварительное кодирование, и соответствующий процесс комбинирования выполняются частично в полосе частот модулирующих сигналов и частично в полосе частот РЧ. В общем случае формирование луча, достигаемое в радиочастотном диапазоне, включает только фазовые сдвиги. Следовательно, критическим элементом в такой системе является определение того, как распределять веса между основной полосой частот и радиочастотной полосой частот на основе канала. Это делается в блоке вычисления веса, где веса предварительного кодирования, Fbb и FrfAngи объединение весов, Wbb и WrfAng, вычисляются на основе матрицы канала, H. В этом примере предполагается, что канальная матрица известна и обеспечивает алгоритмы QSHB и HBPS.

Квантованное разреженное гибридное формирование луча (QSHB)

Литература [2, 3] показывает, что, учитывая канальную матрицу H канала MIMO-рассеяния, гибридные веса формирования луча могут быть вычислены с помощью итеративных алгоритмов [2]. Используя алгоритм поиска ортогонального согласования, результирующие аналоговые веса предварительного кодирования/объединения являются просто управляющими векторами, соответствующими доминирующим модам канальной матрицы. Подробное описание алгоритма см. в примере «Введение в гибридное формирование луча».

Квантованное разреженное гибридное формирование луча с пиковым поиском (HBPS)

HBPS - упрощенная версия QSHB. Вместо поиска доминирующего режима канальной матрицы итеративно, HBPS проецирует все цифровые веса в сетку направлений и идентифицирует $N_{RF}^T$ $N_{RF}^R$ пики и для формирования соответствующих аналоговых весов формирования луча. Это хорошо работает особенно для больших массивов, как массивы, используемые в массивных системах MIMO, так как для больших массивов направления с большей вероятностью будут ортогональными.

Поскольку канальная матрица может изменяться с течением времени, вычисление весов также должно выполняться периодически, чтобы приспособиться к изменению канала.

Результаты и отображение

QSHB

На следующих рисунках показаны восстановленные 16 потоков символов QAM в приемнике с использованием алгоритмов QSHB. Результирующая совокупность показывает, что по сравнению с исходной совокупностью восстановленные символы правильно расположены в обоих потоках. Это означает, что используя метод гибридного формирования луча, мы можем улучшить пропускную способность системы, посылая два потока одновременно. Кроме того, диаграмма совокупности показывает, что дисперсия первого восстановленного потока лучше, чем второго восстановленного потока, поскольку точки менее диспергированы в совокупности первого потока. Это происходит потому, что первый поток использует наиболее доминирующий режим канала MIMO, поэтому он имеет наилучшее SNR.

HBPS

Результат HBPS показан на следующих рисунках. Диаграмма созвездия показывает, что она достигает аналогичных характеристик по сравнению с QSHB. Это означает, что HBPS является хорошим выбором для моделируемой MIMO-системы 64x16.

Резюме

В этом примере представлена модель Simulink двух методов формирования гибридных лучей, QSHB и HBPS. Канал рассеяния MIMO используется для обеспечения реалистичной модели канала для массивных систем MIMO. Модель Simulink разделяется в соответствии с функциями в потоке сигналов, что дает руководство по реализации аппаратных средств. Для данного H число символов может изменяться для моделирования переменной длины когерентного канала. С помощью этой модели Simulink можно изучать различные системные параметры и новые гибридные алгоритмы формирования луча. Структура системы облегчает внедрение аппаратных средств.

Ссылка

[1] Andreas F. Molisch, et al. «Hybrid beamforing for Massive MIMO: A Survey», журнал «IEEE Communications Magazine», том 55, № 9, сентябрь 2017 г., стр. 134-141

[2] Oma El Ayach, и др. «Пространственно разреженное предварительное кодирование в системах MIMO миллиметровой волны, транзакции IEEE по беспроводной связи», том 13, № 3, март 2014 г.

[3]. Эмиль Бьорнсон, Якоб Хойдис, Лука Сангинетти, «Массивные сети MIMO: спектральная, энергетическая и аппаратная эффективность», Основы и тенденции обработки сигналов: т. 11, № 3-4, 2017

Документация