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什么是第二代波束成形和数字波束成形

2021年08月18日 莆田机械设备网

什么是第二代波束成形和数字波束成形?

波束成形是一种用于蜂窝通信和其他应用程序的成熟技术。波束成形最初是基于各种模拟信号链技术和过程开发的。通常,波束成形将天线阵列元件组合在一起,以受控角度引导信号,以最大化特定接收器处的信号接收中国机械网okmao.com。

模拟波束成形可以提高发射机和接收机的空间选择性和效率。尽管如此,它仍然遭受基于数字技术增强模拟处理的下一代波束成形所解决的局限性。数字波束成形或混合数字/模拟波束成形可以克服的模拟波束成形的局限性包括:

天线元件由单个数据流馈电,从而限制了数据速率。

无法提供高度的灵活性;

并且可用光束的数量在硬件中是固定的。

数字波束成形可以克服这些限制,并提供更大的灵活性,因为针对数字域中的每个天线优化了不同的信号。利用数字波束成形,可以将不同的功率和相位分配给各种天线和频带的不同部分。另外,数字波束成形支持空间复用,从而能够为频带(子载波)的不同段提供不同的方向性。频域波束成形包括为不同子载波支持不同波束的能力。频域波束成形需要数字波束成形才能实现。

在时域波束成形的情况下,将相同的波束应用于整个频率载波。时域波束成形通常使用模拟波束成形技术来实现,尽管它也可以利用数字波束成形来实现。如今,由于技术限制,无法完全采用数字波束成形。

如今,全毫米波数字波束成形的两个重要问题是基带处理器的成本和功耗需求。为了最大程度地减少这些担忧,必须使用较低分辨率的转换器实现完整的mmWave数字波束成形,以将前端的功耗保持在可管理的水平内。结果,仅以不可接受的信号降级成本实现了从全数字方法期望的空间复用中的增益。

更糟糕的是,今天的通信协议是基于使用模拟或混合波束成形的假设而设计的。这限制了充分利用数字波束成形所承诺的潜在利益的能力。将来,可能会修改控制和数据通道协议的规范,以使全数字波束成形能够以高服务质量(QoS)交付所需的低延迟通信。

解决采用全数字波束成形或全模拟波束成形的问题和局限性的有希望的近期解决方案是所谓的混合波束成形。混合波束成形结合了基带中的数字处理和RF域中的模拟处理。几种混合波束成形解决方案正在开发中,它们在数字域和模拟域之间以及域内具有不同的系统划分方法。共同点是寻求数字基带处理与模拟RF信号链处理的最佳组合。

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可能的混合波束成形架构,将数字基带处理与RF域中的模拟移相器相结合。

众多可能的混合波束成形架构的两个示例是完全连接和子连接架构。在完全连接的结构中,每个RF链均与所有天线连接。每个数字收发器的传输信号都经过专用的RF路径(带有混频器,功率放大器,移相器等)。在连接到天线之前先对其求和。该方法导致高性能,但是遭受高复杂度和高能耗的困扰。使用此方法,可以为每个收发器实现完全波束成形,并且可以在基站和类似的固定安装中使用。

另一种称为子连接波束形成架构的方法更适合手机和其他应用程序,例如车辆。在子连接波束成形中,每个RF信号链仅连接到可用天线的一个子集。这使子连接的体系结构更简单,功率效率更高,但频谱效率更低,并且不适用于频谱效率很重要的大型安装。

波束成形和毫米波传输的新方法也正在开发中,以补充现有的模拟方法和混合方法。例如,全息波束成形还可以在软件控制下塑造天线的无线电方向图。可以将其视为软件定义的天线。最近开发的一种电子扫描天线技术,称为超材料表面天线技术,基于衍射超材料的概念,并使用高双折射液晶实现了电子扫描。有关这些发展的更多信息,请参见:“超材料,毫米波天线,3D雷达和全息波束成形。”

除了超材料天线和全息波束成形之外,还有兴趣开发超材料来制造智能的,数字控制的反射面,以用于5G和未来的6G网络。IEEE信号处理协会最近宣布了第八届信号处理杯:挑战是使用智能反射面控制无线传播环境。挑战的目标是开发“智能反射表面是超材料的二维阵列,其与电磁波的相互作用可以例如通过调整表面上的阻抗变化来控制。这些表面可能会在6G中用于将无线信号从发送器引导到接收器。挑战的目标是基于来自空中信令的数据来表征智能反射表面的行为,并开发一种控制算法来配置该表面以辅助无线通信。”

用于5G通信的数字波束成形和相关技术正在迅速发展。这些和相关技术(例如智能控制的反射面)有望成为设计未来5G装置的重要元素。