Гибридное формирование луча MIMO с алгоритмами QSHB и HBPS

Этот пример использует:

Этот пример представляет модель Simulink ® системы радиосвязи с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO). Беспроводная система использует гибридный метод формирования луча для улучшения пропускной способности системы.

Введение

5G и другие современные системы радиосвязи широко используют MIMO технологию формирования луча для улучшения отношения сигнал/шум (ОСШ) и пространственного мультиплексирования для улучшения пропускной способности данных в окружениях, богатых рассеивателем. В окружении, богатой рассеивателем, пути линии видимости (LOS) между передающими и приемными антеннами могут отсутствовать. Чтобы получить высокую пропускную способность, MIMO-формирования луча реализует предварительное кодирование на стороне передатчика и объединение на стороне приемника для увеличения ОСШ и отдельных пространственных каналов. Полная цифровая структура формирования луча требует, чтобы каждая антенна имела выделенную цепочку RF-основной полосы, что делает общее аппаратное обеспечение дорогим и энергопотребление высоким. В качестве решения предлагается гибридное MIMO-формирование луча [1], в котором используется меньше цепей RF-основной полосы, и частичное предварительное кодирование и объединение реализуются в фрагмент RF. При преднамеренном выборе весов для предварительного кодирования и объединения гибридное формирование луча может достичь сопоставимой эффективности, как при полном формировании луча.

В этом примере мы вводим модель Simulink с гибридным MIMO-формированием луча. Эта модель показывает два алгоритма гибридного формирования луча: Квантованное разреженное гибридное формирования луча (QSHB) [2] и Гибридное формирование луча с пиковым поиском (HBPS).

Следующий рисунок показывает структуру гибридной системы формирования луча.

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

Канал рассеяния обозначается как. $H$ Веса гибридного формирования луча представлены аналоговым предварительным кодером, $F_{RF}$ цифровым предварительным кодером, $F_{BB}$ аналоговым объединителем $W_{RF}$ и цифровым объединителем. Более $W_{BB}$ подробное описание гибридного формирования луча см. в примере MATLAB Introduction to Hybrid Beamforming.

Исследование модели

Модель Simulink состоит из четырех основных компонентов: MIMO Transmitter, MIMO Channel, MIMO Receiver и Weights Calculation.

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

Канал рассеяния MIMO

Канал рассеяния MIMO представлен матрицей канала. Кроме сложения, этот пример использует активированную подсистему, чтобы периодически изменять эту матрицу, чтобы симулировать тот факт, что канал MIMO может изменяться с течением времени.

Гибридные диаграммы направленности Расчета

В гибридной системе формирования луча и предварительное кодирование, и соответствующий процесс объединения выполняются частично в основной полосе частот и частично в RF полосе частот. В целом, формирование луча, достигнутое в полосу RF, включает только сдвиги фазы. Поэтому критическая часть в такой системе состоит в том, чтобы определить, как распределить веса между основной полосой и диапазоном RF на основе канала. Это делается в блоке Weight Calculation, где веса предварительного кодирования, Fbb и FrfAng, и комбинируя веса, Wbb и WrfAng, вычисляются на основе матрицы канала, H. В этом примере мы предполагаем, что матрица канала известна и предоставляет как алгоритмы QSHB, так и HBPS.

Квантованное разреженное гибридное формирования луча (QSHB)

Литература [2, 3] показывает, что, учитывая матрицу H канала рассеяния MIMO, веса гибридного формирования луча могут быть вычислены через итеративные алгоритмы [2]. Используя ортогональный алгоритм проверки соответствия, получившиеся аналоговые веса предварительного кодирования/объединения являются просто векторами управления, соответствующими доминирующим режимам матрицы канала. Подробное описание алгоритма приведено в примере «Введение в гибридное формирование луча».

Квантованное разреженное гибридное формирования луча с пиковым поиском (HBPS)

HBPS является упрощенной версией QSHB. Вместо итерационного поиска доминирующего режима матрицы канала, 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, таких как массивы, используемые в массивных системах MIMO, поскольку для больших массивов направления с большей вероятностью являются ортогональными.

Поскольку матрица канала может изменяться с течением времени, расчет весов также должно выполняться периодически, чтобы учесть изменение канала.

Результаты и отображения

QSHB

Следующие рисунки показывают восстановленные 16 потоков символов QAM в приемнике с использованием алгоритмов QSHB. Получившееся созвездие показывает, что по сравнению с исходным созвездием восстановленные символы правильно расположены в обоих потоках. Это означает, что используя гибридный метод формирования луча, мы можем улучшить пропускную способность системы, отправляя эти два потока одновременно. В сложение схема созвездия показывает, что отклонение первого восстановленного потока лучше, чем второго восстановленного потока, поскольку точки менее рассеяны в созвездии первого потока. Это связано с тем, что первый поток использует самый доминирующий режим канала MIMO, поэтому он имеет лучший ОСШ.

HBPS

Результат ГБПС показан на следующих рисунках. Схема созвездия показывает, что она достигает аналогичной эффективности по сравнению с QSHB. Это означает, что HBPS является хорошим выбором для моделируемой системы 64x16 MIMO.

Сводные данные

Этот пример предоставляет модель Simulink двух гибридных методов формирования луча, QSHB и HBPS. Канал рассеяния MIMO используется для обеспечения реалистичной модели канала для массивных систем MIMO. Модель Simulink разбита согласно функциям в потоке сигналов, который дает руководство для аппаратной реализации. Для заданного H количество символов может варьироваться, чтобы симулировать переменную когерентную длину канала. С помощью этой модели Simulink могут быть изучены различные системные параметры и новые гибридные алгоритмы формирования луча. Структура системы облегчает аппаратную реализацию.

Ссылка

[1] Andreas F. Molisch, et al. «Гибридное формирование луча для массивного MIMO: A Survey», журнал IEEE Communications Magazine, том 55, № 9, сентябрь 2017, стр. 134-141

[2] Oma El Ayach, et al. «Пространственно-разреженное предварительное кодирование в MIMO-системах 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 тренды в обработке сигналов: Том 11, № 3-4, 2017

Документация