5G波束形成设计
概述
在可用于开发5G系统的MIMO技术中,5G波束形成已成为一种可扩展且经济的选择。5G波束形成将射频和数字领域的设计分开。
在本次网络研讨会中,我们将讨论端到端5G混合波束形成设计工作流程。主题包括:
- 5G波形生成与NR数字命理和带宽部分
- 信道建模、空间多路复用和预编码
- 天线阵列设计与可视化
- 混合波束形成方法
- 天线阵元射频前端及匹配网络设计
记录日期:2021年1月15日
你好,每个人。我叫胡曼·扎林库布。我是无线产品和MathWorks的产品经理,包括5G、LTE、无线局域网和通信工具s manbetx 845箱。我很高兴欢迎大家参加MathWorks的5G波束形成设计网络研讨会。
让我们看一下这次报告的议程。在一些介绍性的评论之后,我基本上将介绍与5G波束形成相关的五个不同的部分。第一部分是关于5G波形生成的。第二个主题是关于信道建模和预编码的。当您使用波束形成场景时,您必须意识到信道对传播环境的影响,并且还必须设计专门指导传输的预编码器。
这就引出了第三个主题,天线阵列设计和MATLAB工具,我们不仅要设计天线元件,还要设计天线阵列,以帮助表征或波束形成性能。另一个主题是混合波束形成。全数字波束形成的复杂性和功耗可以通过使用混合波束形成方法来降低,该方法将波束形成分为两种模式。在某些方向上是模拟方法,在某些方向上是数字方法。
最后,您必须设计RF前端以提高性能,为此,我们在MathWorks中有工具可以帮助您描述功率放大器和设计dpd以及与RF传输链相关的其他元素。最后,我要做一些总结。
让我们来看看5G的实现技术。如你所知,5G有多种用例,其中最熟悉的用例之一是5G增强型移动宽带。这就是向5G发展的网络目前面临的挑战,我们如何大幅提高移动通信的吞吐量和数据速率?定义。?]
所以我可能想到的解决方案是这样的。万博 尤文图斯你可以用你的信号来增加带宽,一个更大的带宽。你可以增加你的吞吐量。你也可以从给定的赫兹带宽中挤出更多的带宽。这被称为更好的频谱效率,每赫兹每秒可以多使用多少比特。
您还可以使用灵活的接口。在这种情况下,这意味着使用使用OSM或OSDMA和多用户MIMO的多载波通信系统。而且,你可以使用小的电池,这样你就可以本质上使用MIMO技术来获得更好的接收功率和性能。
另一种方法也是使用更高的频带。这是5G将展示的主题之一。在4G和之前类似的通信系统中,我们不是在典型的6千兆赫兹以下的频率工作,而是超越了[?赫兹,还是毫米。通过使用它,你有大量可用的频带,你基本上可以达到你想要的高吞吐量。
现在,所有这些事情并非没有挑战。当你决定使用毫米波和更高频率时,简单的语调就变成了一个真正的问题。在带宽非常宽的系统中,频率选择性衰落成为一个现实问题。你必须认真研究多载波系统,如OSTM、OSTMA和信道估计均衡,以对抗频率选择性衰落的影响。同时,你也需要散射丰富的传播环境来让这个可行或者如果你有系统的话。然后你必须不断更新你的渠道特征和模型。
如何把它们放在一起。你正在使用高载波频率,更大的带宽和大型天线阵列。这种方法适用于5G,尤其是毫米波。这被称为大规模MIMO。大规模MIMO本质上意味着你要使用非常大的天线射线,大概是64- 64 128 256,等等。记住,如果你在做所有的数字波束形成都是这些大型天线阵列,在每个传输信号的天线后面,都有一个射频模拟链,宽带链,需要大量的功率和复杂性。
因此,为了减轻这些大规模MIMO系统的功率和损耗问题,已经提出了混合结构来实现最佳妥协。正如你所看到的,在愿景中,未来的大规模MIMO技术与一个发射机,它有窄波束,针对每个单独的接收器,这是在多用户MIMO场景中。这需要大型天线阵列来实现窄波束。
我们不再有那种各向同性的传播了。我们正在进行集中传播。为了实现这一点,你需要将预编码和波束形成与射频链协调在一起,这样你就可以自定义设计以不同的窄波束角度向不同用户传输。那么这种混合波束形成5G架构的工作流程是什么呢?
你需要生成一个波形。这些波形本质上决定了你使用多少带宽,5G有很大的灵活性,我跟你谈过这一点。你必须设计天线和天线阵列,使你能够实现那些参与多用户MIMO大规模MIMO结构过程的窄波束。你必须有一个有代表性的信道模型其中包含大量的散射以便对到达角,离开角,发射机和接收机的位置进行基本估计。
所有这些都是可能的。在此基础上,如果你想使用特殊的多路复用并在不同的天线端口上发送多个流,你必须计算预编码矩阵,这是数字波束形成的要求。数字预编码矩阵相乘[?权重?]到数字波束形成架构,以便将信号以数字方式引导到您想要的方向。如果你在做混合波束形成,你还必须考虑模拟波束形成部分,那些使用移相器的元件为了在模拟环境中控制而不使用所有的射频链来控制波束向另一个方向。
在所有这些都完成之后,你必须考虑射频前端、放大器、滤波器等的影响,并确保在你的波段兴趣范围内,放大是线性的,否则,你会遭受很多损失。因此,所有这些考虑因素(称为系统级设计考虑因素)都将发挥作用,以产生成功的5G混合波束形成架构。
让我们来谈谈第一个元素,5G波形生成。5G将于2018年标准化。在MathWorks中,我们介绍了我们的5G工具箱,我们的MathWorks产品,允许您在2018年建模、模拟和测试5G系统。而5G技术的一大特点就是基于OFDM,然而,与4G时的子载波间距或分辨率在频率上是恒定的不同,在5G中,子载波间距的分辨率频率是可变的。
所以两个子载波之间的频率差可以是15千赫兹或者是15千赫兹的倍数或者是2 30 60 120的幂,等等。现在,我们在时间和频率之间有对偶性,这意味着如果你的子载波间隔或其他东西很短,时间上的持续时间就很长。对于15千赫兹,1毫秒的时间槽,随着子载波间距的增加,时间槽的大小会减小。
但是你知道,当我们使用多个子载波间隔的那一刻,我们立即获得了更高的带宽。所以如果你在15千赫兹的子载波上发送相同的信息,你的带宽就是50兆赫。但是通过将子载波间距加倍,你实际上占用了100兆赫。这些考虑因素表明了5G在时频分辨率方面的灵活性。这些是为了测试和验证5G和5G波束形成设计而必须生成的波形类型。
正如我提到的,5G工具箱支持上行链路和下行链路5G波形万博1manbetx生成。正如你所看到的,我们有波形和5G工具箱,本质上,允许你有各种子载波的混合数字、信号和波形,多个带宽部分,每个带宽部分与不同的用户或EU相关联,多个物理下行链路或物理上行共享通道。它们都是完全可参数化的,并允许同步信号和脉冲,SS脉冲,这是同步5G中所有内容所需的。
我将向您展示一个非常易于使用的应用程序,名为无线波形生成器应用程序,该应用程序自2018年B版发布以来就在我们的工具中引入,用于生成5G波形是多么容易。你将以交互的方式测试你的无线设计,通过点击正确的参数来使用应用程序。即使你不是一个熟练的MATLAB程序员,你也可以交互式地参数化和生成5G波形。
在基带的波形IQ样本,你可以看到生成它们的MATLAB代码。你可以直接从MATLAB环境中通过空气传输它们如果你使用的是连接到MATLAB的射频仪器。让我们进入MATLAB。看看这个被称为无线波形生成器的应用程序,它使5G波形生成的过程非常容易。
在MATLAB中,版本发布2020A,我们可以去应用程序选项卡,并寻找无线波形发生器应用程序。现在,这个应用程序使您能够生成各种波形,而无需编写任何MATLAB代码。正如你所看到的,这里有多种基于标准的波形,5G和R, DLT或4G,无线局域网或Wi-Fi,不同的口味,以及低功耗蓝牙。
现在,我们关注的是5G波形的生成。请注意,您可以生成、上行或下行固定参考信道,或者我们可以在RTM中使用新的无线电测试模型。在本例中,我们将选择RTM。我们有多种选择,频率范围FR1,低于6千兆赫频率或FR2D,[听不清],选择FR1,和多种基于标准的测试模型。每一个都代表了不同的调制方案和带宽的使用。
我们将选择64 QAM全波段,看起来由TM3.1。就信道带宽而言,你可以想象,我们在这里有多种带宽的可能性。我们可以选择10兆赫的带宽。子载波间距可以是15、30和60。我们将选择一个30千赫兹的频率,并选择我们的双工模式,FTP。当然,如果需要,我们也可以进行过滤。
只需设置参数并单击Generate按钮,就可以看到我们可以生成相应的5G和R波形。正如你所看到的带宽是10兆赫,你可以看到我们有一个通道视图,有通道边缘,保护带和传输带宽。我们有资源网格中各种元素的表示法。
请注意,您可以到可视化,并添加其他元素到您的信号,包括时间范围,以查看IQ样本。您可以选择去减值部分,并添加各种减值到您的信号。这是在实际模拟传输或接收时。在软件中进行模拟,您可以添加各种损伤,如您在这里看到的。
最后,您可以将信号导出到工作区或文件,以便用于进一步处理。好了,让我们来看看第二个主题,信道建模和预编码。现在,5G标准,5G标准发布的第一个东西是5G信道模型。这些信道模型在技术报告38.901中介绍,它们允许您为MIMO信道模型提供非常严格的空间信道建模特性。
本质上,我们不仅有传统的信道建模,还有像延时模型,TDL和CDL模型延时扩展,本质上,脉冲响应和多普勒频移。我们还有天线阵列的几何规格,使您能够计算出当波束形式的信号在空气中传输时,散射的影响是什么,以及所有其他基于我们在散射位置看到的簇的信道建模。因此,5G允许您为MIMO和基于波束形式的传输指定非常好的信道建模规范。
MathWorks中的其他工具,我们有通信工具箱,我们的基础产品,以及相控阵系统工具箱,它们在传播通道方面提供了更多支持。万博1manbetx我们有自由空间路径损失,它可以用于长距离或由于大气气体和雾和云造成的衰减。MIMO多径衰落信道。我们有Winner II衰落信道模型和散射MIMO信道,它允许您精确指定如果您知道发射机的位置,接收机的位置和散射器的位置,您可以在MATLAB中完成这一切,并找出作为传播信道模型的结果到达接收机的实际接收功率信号是什么。
让我们看看MIMO OFDM数据流到LTE和5G以及其他类似东西的基础上。所以当你想要做波束形成或特殊的多路复用,特别是MIMO信号处理或OFDM信号时,这个过程基本上是分两个阶段完成的。你必须做信道探测来理解脉冲响应或者信道的频率响应。
你发送一个序文来传递那个信号。它通过MIMO或者你的传播环境。它在OFDM的接收端被接收。信号处理是做OFDM解调,而你做MIMO信道估计。在每个子载波上,你执行,本质上,你计算一个信道矩阵。提供一个矩阵的增益在每个子载波相关的D发送端口到接收端口。
对于每一个使用SVD的矩阵,它都可以被对角化,你可以找到可以对角化你的系统的预编码矩阵,这意味着如果你使用这些预编码矩阵V,在这种情况下,你就可以用数字方式控制你的传输,使你的接收器保持最大的保留。这就是通道的声音。
在接下来的步骤中,你基本上通过波形生成,然后从探测环境中,你使用预编码矩阵计算,你用预编码组成你的OFTM发射单。然后MIMO通道出现了。它们接收到波束转向,然后发生OFDM。再一次,通过信道估计和均衡,你实际上重新计算预编码矩阵,要么传输,要么用它来恢复数据库。这是5G系统中使用的MIMO OFDM数据流的处理过程。
因此,预编码起着很大的作用,因此,信道求解在成功的5G预编码中起着很大的作用。5G的实际方法是使用CSI和参考信号,他们使用码本在终端上找到最佳的预编码向量匹配,并在上行链路中传输到基站,以便在后续传输中使用该预编码方法。但是这个架构告诉我们如何进行数字预编码,信道资金和传输是齐头并进的。
回到MATLAB环境,我想从输入doc开始,文档。在文档中,寻找大规模MIMO。这就引出了我今天要讲的例子。这被称为大规模MIMO混合波束形成。这是一个很好的例子,因为它提供了MATLAB程序,确切地讨论了信道探测和大规模MIMO的使用。正如你在这个例子中看到的,我们正在研究多用户和单用户系统的混合波束形成场景,这正是5G所需要的。
完成了预编码、数字和射频组件的划分。最后,完成一些EVM和误码率测量来表征您的系统。正如我之前告诉你们的,我们使用的是基于散射的空间信道模型。从本质上讲,我们正在研究一个具有波束形成和大型天线阵列应用的多用户MIMO FDM系统。
现在,如果你打开脚本,你会注意到我们在看MATLAB。代码都是用MATLAB编写的,所以很容易理解,所以我们用一些参数来完成这些步骤。我们使用了四个用户,每个用户分配了不同数量的流,所以你使用了特殊的多路复用上下文。基站传输天线的数量本质上是这些流的2倍,所以在这种情况下,是24,以此类推。
我们可以使用多种调制方案,注意我们模拟的是毫米波的情况,28千兆赫,以及大量的阵列,在这种情况下,500个。这是一个MIMO OFDM系统,所以我们必须指定OFDM参数。在本例中,我们使用的是256 FFD、OFDM等。因此,我们使用相控阵系统工具箱功能,如分区阵列或均匀线性阵列来组成天线阵列。注意到我们是如何使用信道状态信息的。
对于每个用户,我们都在计算,本质上,前置信号,然后我们传输它,缩放它。你有OFDM解调工具,进行信道估计,通过SVD,我们计算信道矩阵估计。这是我们计算发射点混合权重的地方。对于每个用户,我们在多用户的意义上划分基带和射频,这是波束形成,并计算矩阵v,我们通过卷积编码调制和所有看起来像性能指标,如误码率和EVM。
正如你所看到的,对于每个用户,我们计算RMS EVM值,误码率,一些错误以及我们观察均衡后的星座对于用户1的每个流,这是三个流,用户2,3,4。看看这四个用户,我们计算了不同角度的波束形成,我们使用相控阵功能将其可视化。因此,在MATLAB中很容易理解如何将大规模MIMO高波束形成的理论方面表示为[听不清]的实际程序。
成功的5G波束形成设计还需要什么?我们需要天线阵列。您可以使用MathWorks中最流行的工具箱之一Antenna Toolbox,但启用它不仅可以设计天线元件,还可以设计天线阵列,使您能够详细地可视化和分析天线数据、带有耦合的波束以及表征天线传输所需的所有其他东西。
我们不仅在点层面上做到了这一点,我们还在地图上引入了射频传播可视化分析。因此,我们可以在MATLAB中,打开不同地理区域的地图,插入特定位置的发射机和接收机,并使用天线工具箱观察接收功率作为INR和所有这些其他特性。
现在我将再次带你们到MATLAB应用程序选项卡并向你们展示两个应用程序,天线设计器和天线阵列设计器,它们使你能够交互式地设计天线元件和天线阵列,可以用于波束形成模式。就像在MATLAB中一样,转到App选项卡,强制和快速通信应用程序位于我们之前看到的5G生成器旁边。我想让你看一下天线设计器和天线阵列设计器。
首先,看看天线设计师应用程序。我们注意到,我们可以通过点击加号按钮从头开始设计天线,然后你可以从各种天线设计画廊中进行选择,在这种情况下使用偶极子,但我们可以使用各种现有的天线,结构。然后你可以指定每个天线的辐射是定向的还是全向的。
我们可以指定偏振和带宽,以及指定工作频率。让我们看一个28千兆赫频率的毫米波,然后你说接受。当你这样做的时候,每个天线都有这些几何和负载特性。可以应用。并查看天线工具箱的不同分析功能。
对于这个特殊的天线元件,我喜欢3D模式,它基本上显示了一个对称的方向方法,但您可以选择任何您想要的天线。你可以保存它并导出为脚本,这样你就可以把它放到你的模拟中。还有另一个应用程序,天线阵列设计器。我们不是在看每个天线的设计,然后你要看天线阵列。
第一个参数是数组大小。让我们看一个更精细的数组,比如8 × 8,这是64天线元素。当你这样做时,请注意应用程序立即根据你这里的几何阵列特征为你组织天线阵列。可以是矩形阵列、圆形阵列、保形阵列等。然后你指定你想要的频率。在这个例子中,我写了28,除了它。
你会看到这里的几何和所有特征都为你指定了,可以修改所有这些参数,应用,并查看像天线传播阵列模式这样的东西。在这里,看看这个特殊天线阵列的3D[听不清]模式,在期望的28千兆赫频率下,你会看到我们可以计算其他模式,比如远程和仰角。最后,我们可以把结果导出到MATLAB环境中。
让我们进入下一个主题,混合波束形成。那么什么是混合波束形成呢?当您认为完整的数字波束形成在功率使用和耗散方面昂贵时,您可以考虑使用混合波束形成,其中射频波束形成在射频前端完成,而不使用完整的射频链。这就是模拟波束形成。数字波束形成是在另一个方向或另一个维度上完成的使用我告诉过你们的预编码方法。
因此,将任务划分为模拟或数字并不是混合波束形成,这是一种非常实用的大规模MIMO波束形成方法。我将通过一个例子向你们展示这个分解是如何进行的。因此,我们正在研究一个系统,其中我们已经估计了到达和离开的角度,PX和RX,我们正在使用一种混合结构,我们将数字发射阵列与模拟移相器结合起来,以实现混合波束形成解决方案。
例如,我们在方位角方向上使用了数字波束形成,因此在那里应用了预编码矩阵。我们将在仰角处进行射频波束形成。你可以看到,我们可以使用这些架构以多用户MIMO格式连接多个终端。如果你仔细观察信道测深,我们会计算V矩阵,并将不同的流乘以这些数字速率。
但是如果你看一下射频波束形成结构的模拟,你会发现我们正在使用移相器。这个角度是由我们在不同方向上计算的重量统计得出的。这种架构允许您添加特性——热噪声、相位噪声、图像抑制等等。它为你的设计创造了一个非常现实的混合波束形成方法。
最后,我们将在发射机中使用5G。这些波形是你们之前看到的。你被要求使用作为发射信号,我们将在接收器中使用5G来进行测量和估计。
让我们看看下一个最后阶段,RF前端的设计。所以那些进行数字波束形成的元件,它们要求你有一个与每个天线点相关联的射频链。你如何设计射频链来接收基带信号并将其带入射频,然后在通过空气传输之前进行波束形成。
我们可以在MATLAB环境中使用另一个应用程序,称为RF预算分析仪应用程序。该应用程序是RF工具箱的一部分。允许实现功率,噪声,IP3和所有其他RF分析和计算。它可以帮助您提出由滤波器、低噪声放大器、混频器和功率放大器组成的射频处理链,这些处理链本质上需要将信号带到射频并通过天线传输。
现在,当您打开射频预算分析仪应用程序时,您可以轻松地添加各种射频链组件并将它们级联在一起。看看总的增益,[听不清],所有的特征都需要进行预算分析和计算接收功率。
设计任何射频组件的一个有趣而重要的部分是功率放大器或PA特性,以及数字预失真的合法化。在DBM信号的大输入范围内,特别是当带宽大幅增加时,如果你的功率放大器不能线性化,性能就会受到严重阻碍。因此,你需要做的是提出闭环行为模拟和闭环设计,使功率放大器在工作范围和频率上线性化,以便使传输成功。
现在,您可以使用我们的射频工具箱和射频[听不清]功能,用于PA建模工作流和DPD设计。我的朋友们在总结的最后会给你们一个完整的介绍。但本质上,要点是你可以从你的PA得到IQ时域宽带测量数据。使用我们的MATLAB多项式拟合功能,你可以用多项式来拟合数据就像你在底部看到的那样。用这个,你可以用这些多项式的倒数进行预扭曲,从而实现线性化。
总之,通过探索mathworks.com中的示例,我们可以了解更多关于混合波束形成及其在5G设计中的适用性。刚刚进入mathworks.com,寻找我们为您提供的四个更详细的演示和参考设计示例,混合波束形成介绍,使用QSHB和HBPS算法的混合MIMO波束形成,大规模MIMO混合波束形成,以及使用混合波束形成的射频毫米波发射机建模。
它们都可以在我们的无线通信解决方案页面mathworks.com/so lution/wirelesscommunication上找到。如果你想了解更多关于5G的知识,你可以看看我的产品页面,mathworks.com/products/5G,看我的5G工具箱视频,以及通过观看一系列5G解释视频学习了解5G技s manbetx 845术,以及它与LT的不同之处,以及5G[听不清]系统的所有组件,每个视频大约10分钟,其中有11个是由我的朋友Mark Bers制作的。你可以在这些视频系列中了解5G技术的不同特征。
综上所述,使用MATLAB和Simulink,您可以在单一环境万博1manbetx中设计天线、射频和信号处理系统;我们可以生成5G NR波形并执行接收器操作;设计包含复杂工作结构的MIMO相控阵;将波束形成设计智能地划分为混合结构;使用射频和基带域,模拟MIMO信道和无线通信系统;并探索架构选择和权衡。再次感谢。
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