大规模MIMO相控阵系统的混合波束形成- MATLAB和Simulink

简介

本文演示了如何使用MATLAB^®和仿真软件^®功能和工具箱:

设计和合成复杂天线元件和MIMO相控阵及子阵
在射频和数字领域智能划分混合波束形成系统
验证空间信号处理算法概念
使用高保真模拟验证链路级设计
评估失败或不完美的元素和子数组的影响
在构建硬件之前消除设计问题

MATLAB和Simulink产品用于此应用的一个基本目标是在项目开发的许多阶段提供2022世界杯八强谁会赢？扩展模型保真度的直接路径。这包括将测量数据带入天线模式和传播路径的模型等任务。它还包括通过在Simulink的多域仿真环境中引入射频组件模型来扩展射频链的保真度水平。

注:在下面的例子中，我们使用相控阵系统工具箱™、天线工具箱™、射频块集、射频工具箱™、通信工具箱™和全局优化工具箱来完成相关的工作流程。

为5G设计大规模MIMO阵列

随着5G标准的不断发展，更高的数据速率、更低的网络访问延迟和更节能的实现目标是明确的。更高的数据速率推动了对更大带宽系统的需求。频谱中超过6 GHz的可用带宽不足以满足这些要求。这使得下一代无线通信系统的目标工作频段上升到毫米波范围。

波束形成智能阵列设计

在这些更高的频段上，更小的波长使每个系统在更小的尺寸内实现更多的天线元件。与这些频率相关的信号路径和传播挑战也增加了。例如，60 GHz波形的气体吸收衰减超过10 dB/km，而700 MHz波形的衰减约为0.01 dB/km。您可以通过智能阵列设计和使用空间信号处理技术(包括波束形成)来抵消这些损失。这种类型的处理是由大规模MIMO阵列实现的，可以直接用于提供更高的链路级增益，以克服路径损失和不良干扰源。

为了在有源阵列设计中实现波束形成的最大控制和灵活性，需要对每个天线阵列单元进行独立的加权控制。这需要一个专门用于每个元素的发送/接收(T/R)模块。对于大规模MIMO通信系统典型的阵列尺寸，由于成本、空间和功率限制，这种类型的架构很难构建。例如，为每个通道配备高性能ADC和DAC(以及支持组件)可以使成本和功率超出分配的设计预算。类似地，在每个信道的射频链中使用可变增益放大器会增加系统成本。

混合波束形成

混合波束形成是一种可用于在数字域和射频域之间划分波束形成的技术。系统设计人员可以实现混合波束形成，以平衡灵活性和成本权衡，同时仍能部署满足所需性能参数的系统。混合波束形成设计是将多个阵列元素组合成子阵列模块。发射/接收(T/R)模块专门用于阵列中的子阵列，因此系统中需要的T/R模块更少。元素的数量，以及每个子阵列中的定位，可以选择，以确保在一个转向角度范围内满足系统级性能。

使用发射信号链作为我们的第一个例子，子阵列中的每个元素都可以直接在射频域中应用相移，而基于复杂加权向量的数字波束形成技术可以应用于馈送每个子阵列的信号。数字波束形成允许在子阵列级聚集的信号上控制信号的幅度和相位。由于成本和复杂性的原因，RF控制通常仅限于对每个元件应用相移。