Введение в гибридный Beamforming
Этот пример вводит фундаментальное понятие гибрида beamforming и показывает, как симулировать такую систему.
Введение
Современные системы радиосвязи используют пространственное мультиплексирование, чтобы улучшить пропускную способность в системе в рассеивателе богатая среда. Для того, чтобы отправить несколько потоков данных через канал, набор предварительного кодирования и объединения весов выведен из матрицы канала. Затем каждый поток данных может быть независимо восстановлен. Те веса содержат и величину и термины фазы и обычно применяются в цифровой области. Один пример симуляции такой системы может быть найден в Улучшить ОСШ и Способности Радиосвязи Используя пример Антенных решеток. В системной схеме, показанной ниже, каждая антенна соединяется с уникальной передачей, и получите (TR) модуль.
Когда-либо растущий спрос на высокую скорость передачи данных и больше пользовательской способности увеличивает потребность использовать спектр более эффективно. В результате следующее поколение, 5G, беспроводные системы будут использовать волну миллиметра (mmWave) полоса, чтобы использовать в своих интересах ее более широкую полосу пропускания. Кроме того, системы 5G развертывают крупномасштабные антенные решетки, чтобы смягчить серьезную потерю распространения в mmWave полосе. Однако эти настройки приносят свои уникальные технические проблемы.
По сравнению с текущими беспроводными системами длина волны в mmWave полосе намного меньше. Несмотря на то, что это позволяет массиву содержать больше элементов с той же физической размерностью, становится намного более дорого обеспечить один модуль TR для каждого антенного элемента. Следовательно, как компромисс, переключатель TR часто используется, чтобы предоставить несколько антенных элементов. Это - та же концепция как настройка подрешетки, используемая в радарном сообществе. Одну такую настройку показывают в следующем рисунке.
Рисунок сверху показывает, что на стороне передачи, количестве переключателей TR, , меньше, чем количество антенных элементов, . Чтобы обеспечить больше гибкости, каждый антенный элемент может быть соединен с одним или несколькими модулями TR. Кроме того, аналоговые фазовращатели могут быть вставлены между каждым модулем TR и антенной, чтобы обеспечить некоторые ограниченные возможности управления фазой.
Настройка на стороне приемника подобна, как показано на рисунке. Максимальное количество потоков данных, , это может поддерживаться этой системой, меньший из и .
В этой настройке более не возможно применить цифровые веса на каждый антенный элемент. Вместо этого цифровые веса могут только быть применены в каждой цепи RF. На уровне элемента сигнал настроен аналоговыми фазовращателями, который только изменяет фазу сигнала. Таким образом предварительное кодирование или объединение на самом деле сделаны на двух этапах. Поскольку этот подход выполняет beamforming и в цифровых и в аналоговых областях, это упоминается как гибрид beamforming.
Системный Setup
Этот раздел симулирует 64 x 16 гибридов MIMO beamforming система с квадратным массивом с 64 элементами с 4 цепями RF на стороне передатчика и квадратным массивом с 16 элементами с 4 цепями RF на стороне приемника.
Nt = 64; NtRF = 4; Nr = 16; NrRF = 4;
В этой симуляции это принято, что каждая антенна соединяется со всеми цепями RF. Таким образом каждая антенна соединяется с 4 фазовращателями. Такой массив может быть смоделирован путем разделения апертуры массивов в 4 абсолютно связанных подрешетки.
rng(4096); c = 3e8; fc = 28e9; lambda = c/fc; txarray = phased.PartitionedArray(... 'Array',phased.URA([sqrt(Nt) sqrt(Nt)],lambda/2),... 'SubarraySelection',ones(NtRF,Nt),'SubarraySteering','Custom'); rxarray = phased.PartitionedArray(... 'Array',phased.URA([sqrt(Nr) sqrt(Nr)],lambda/2),... 'SubarraySelection',ones(NrRF,Nr),'SubarraySteering','Custom');
Чтобы максимизировать спектральный КПД, каждая цепь RF может использоваться, чтобы отправить независимый поток данных. В этом случае система может поддержать до 4 потоков.
Затем примите рассеивающуюся среду с 6 рассеивающимися кластерами, случайным образом распределенными на пробеле. В каждом кластере существует 8 тесно расположенных рассеивателей с угловым распространением 5 градусов для в общей сложности 48 рассеивателей. Усиление пути для каждого рассеивателя получено из комплексного кругового симметричного Распределения Гаусса.
Ncl = 6; Nray = 8; Nscatter = Nray*Ncl; angspread = 5; % compute randomly placed scatterer clusters txclang = [rand(1,Ncl)*120-60;rand(1,Ncl)*60-30]; rxclang = [rand(1,Ncl)*120-60;rand(1,Ncl)*60-30]; txang = zeros(2,Nscatter); rxang = zeros(2,Nscatter); % compute the rays within each cluster for m = 1:Ncl txang(:,(m-1)*Nray+(1:Nray)) = randn(2,Nray)*sqrt(angspread)+txclang(:,m); rxang(:,(m-1)*Nray+(1:Nray)) = randn(2,Nray)*sqrt(angspread)+rxclang(:,m); end g = (randn(1,Nscatter)+1i*randn(1,Nscatter))/sqrt(Nscatter);
Матрица канала может быть сформирована как
txpos = getElementPosition(txarray)/lambda; rxpos = getElementPosition(rxarray)/lambda; H = scatteringchanmtx(txpos,rxpos,txang,rxang,g);
Гибридный расчет весов
В пространственной системе мультиплексирования со всем цифровым beamforming сигнал модулируется набором предварительного кодирования весов, распространил через канал и восстановился набором объединяющихся весов. Математически, этот процесс может быть описан Y = (X*F*H+N)*W где X Ns- матрица столбца, столбцы которой являются потоками данных, F Ns Nt матрица, представляющая веса перед кодированием, W Nr Ns матрица, представляющая объединяющиеся веса, N Nr- матрица столбца, столбцы которой являются шумом приемника в каждом элементе и Y Ns- матрица столбца, столбцы которой являются восстановленными потоками данных. Поскольку цель системы состоит в том, чтобы достигнуть лучшего спектрального КПД, получив предварительное кодирование, и объединение весов может быть рассмотрено как задачу оптимизации, где оптимальное предварительное кодирование и объединение весов делают продукт F*H*W' диагональная матрица так каждый поток данных может быть восстановлена независимо.
В гибриде beamforming система, поток сигналов подобен. И веса перед кодированием и объединяющиеся веса являются комбинациями основополосных цифровых весов и аналоговых весов полосы RF. Основополосные цифровые веса преобразуют входящие потоки данных во входные сигналы в каждой цепи RF, и аналоговые веса затем преобразуют сигнал в каждой цепи RF к сигналу, излученному или собранному в каждом антенном элементе. Обратите внимание на то, что аналоговые веса могут только содержать сдвиги фазы.
Математически, это может быть записано как F=Fbb*Frf и W=Wbb*Wrf, где Fbb Ns NtRF матрица, Frf NtRF Nt матрица, Wbb NrRF Ns матрица и Wrf Nr NrRF матрица. Начиная с обоих Frf и Wrf может только использоваться, чтобы изменить фазу сигнала, существуют дополнительные ограничения в процессе оптимизации, чтобы идентифицировать оптимальное предварительное кодирование и объединение весов. Идеально, получившаяся комбинация Fbb*Frf и Wrf*Wbb близкие приближения F и W это получено без тех ограничений.
К сожалению, оптимизация всех четырех матричных переменных одновременно вполне затрудняет. Поэтому много алгоритмов предложены, чтобы прибыть в субоптимальные веса с разумной вычислительной загрузкой. Этот пример использует подход, предложенный в [1], который разъединяет оптимизацию для предварительного кодирования и объединения весов. Это сначала использует ортогональный алгоритм преследования соответствия, чтобы вывести веса перед кодированием. Если веса перед кодированием вычисляются, результат затем используется, чтобы получить соответствующие веса объединения.
Принятие канала известно, неограниченные оптимальные веса перед кодированием могут быть получены diagonalizing матрица канала и извлечение первого NtRF доминирование над режимами. Диаграмма направленности передачи может быть построена как
F = diagbfweights(H); F = F(1:NtRF,:); pattern(txarray,fc,-90:90,-90:90,'Type','efield',... 'ElementWeights',F','PropagationSpeed',c);
Диаграмма направленности выше показов, что даже в лучевой среде, существует ограниченное количество доминирующих направлений.
Гибридные веса, с другой стороны, могут быть вычислены как
At = steervec(txpos,txang); Ar = steervec(rxpos,rxang); Ns = NtRF; [Fbb,Frf] = omphybweights(H,Ns,NtRF,At);
Диаграмму направленности гибридных весов показывают ниже:
pattern(txarray,fc,-90:90,-90:90,'Type','efield',... 'ElementWeights',Frf'*Fbb','PropagationSpeed',c);
По сравнению с диаграммой направленности, полученной с помощью оптимальных весов, диаграмма направленности с помощью гибридных весов подобна, особенно для доминирующих лучей. Это означает, что потоки данных могут быть успешно переданы через те лучи с помощью гибридных весов.
Спектральное сравнение КПД
Один из показателей производительности уровня системы системы 5G является спектральным КПД. Следующий раздел выдерживает сравнение, спектральный КПД достиг использования оптимальных весов с тем из предложенного гибрида beamforming веса. Симуляция принимает 1 или 2 потока данных, как обрисовано в общих чертах в [1]. Массив передающей антенны принят, чтобы быть в базовой станции с фокусируемой шириной луча 60 градусов в области азимута и 20 градусов в области вертикального изменения. Сигнал может прибыть в получить массив от любого направления. Получившаяся спектральная кривая КПД получена из 50 испытаний Монте-Карло за каждый ОСШ.
snr_param = -40:5:0; Nsnr = numel(snr_param); Ns_param = [1 2]; NNs = numel(Ns_param); NtRF = 4; NrRF = 4; Ropt = zeros(Nsnr,NNs); Rhyb = zeros(Nsnr,NNs); Niter = 50; for m = 1:Nsnr snr = db2pow(snr_param(m)); for n = 1:Niter % Channel realization txang = [rand(1,Nscatter)*60-30;rand(1,Nscatter)*20-10]; rxang = [rand(1,Nscatter)*180-90;rand(1,Nscatter)*90-45]; At = steervec(txpos,txang); Ar = steervec(rxpos,rxang); g = (randn(1,Nscatter)+1i*randn(1,Nscatter))/sqrt(Nscatter); H = scatteringchanmtx(txpos,rxpos,txang,rxang,g); for k = 1:NNs Ns = Ns_param(k); % Compute optimal weights and its spectral efficiency [Fopt,Wopt] = helperOptimalHybridWeights(H,Ns,1/snr); Ropt(m,k) = Ropt(m,k)+helperComputeSpectralEfficiency(H,Fopt,Wopt,Ns,snr); % Compute hybrid weights and its spectral efficiency [Fbb,Frf,Wbb,Wrf] = omphybweights(H,Ns,NtRF,At,NrRF,Ar,1/snr); Rhyb(m,k) = Rhyb(m,k)+helperComputeSpectralEfficiency(H,Fbb*Frf,Wrf*Wbb,Ns,snr); end end end Ropt = Ropt/Niter; Rhyb = Rhyb/Niter; plot(snr_param,Ropt(:,1),'--sr',... snr_param,Ropt(:,2),'--b',... snr_param,Rhyb(:,1),'-sr',... snr_param,Rhyb(:,2),'-b'); xlabel('SNR (dB)'); ylabel('Spectral Efficiency (bits/s/Hz'); legend('Ns=1 optimal','Ns=2 optimal','Ns=1 hybrid', 'Ns=2 hybrid',... 'Location','best'); grid on;
Этот рисунок показывает, что спектральный КПД улучшается значительно, когда мы увеличиваем число потоков данных. Кроме того, гибрид beamforming может выполнить близко к тому, что оптимальные веса могут предложить использованию меньшего количества оборудования.
Сводные данные
Этот пример вводит фундаментальное понятие гибрида beamforming и показывает, как разделить предварительное кодирование и объединение весов с помощью ортогонального алгоритма преследования соответствия. Это показывает, что гибрид beamforming может тесно совпадать с эффективностью, предлагаемой оптимальными цифровыми весами.
Ссылки
[1] Омар Эль Айяч, и др. Пространственно Разреженное Предварительное кодирование в волне Миллиметра Системы MIMO, Транзакции IEEE на Радиосвязях, Издании 13, № 3, март 2014.