论文研究-混合波束赋形技术与信道建模方案研究及性能评估 .pdf

所需积分/C币:50 2019-08-15 11:11:22 370KB .PDF
1
收藏 收藏
举报

混合波束赋形技术与信道建模方案研究及性能评估,杨凯,王亚峰,随着通信和互联网行业的快速发展,人们对网络数据传输的需求也日益增长,实现数据高速率传输和提高系统吞吐量,建立低延迟、高可
国科技论文在线 http:/iwww.paperedu.cn (定义在-180°和180之间)。采用带有×辐射元件的平面均匀矩形阵列天线进行建 模,如图所示。沿y轴和z轴放置的元件的数量分别为和和表示面板在水 平和垂直方向间隔,和表示天线元件在水平和垂直方向间隔。 平面阵列的阵列因子可以用来代替 (式-1) 是由阵列放置引起的位移,可表示 1,1,1,2……,1,5, 此 75 2T( -1).cos(0)+( -1).sin(0).sin(p) M=1,2,,;n=1,2,,(式-2) 是加权因了,它可以控制旁瓣水平,也可以提供水平和垂直的电动转向。为简单起 见,假设加权矢量的幅度对于每个辐射元件是相同的。加权矢量的相位用于实现电动转向, 并且取决于所需的水平和垂直转向角以及元件间距。 (式-3) 此时 exp[. 2( -1).sin(8 )-(-1)cos(0 ).sin( M=1,2,,n=1,2,,;(式-4) 是电子下倾角,范围是.90度至90度,当为0度时,波束方向指向天线阵列 85 的法线方向,9是水平扫指角,范围是-180度至180度 基于波束搜索模型的混合波束赋形技术 毫米波( mm Wave)和人规模天线技术今年来已成为5G蜂窝系统的关键技术6⑦,根 据建立 mm Wave蜂窝可行性的初步工作,大型人线阵列系统由射频(RF)域中的模拟波朿 形成器和基带域中的数字多输入多输出(MIMO)处理器组成,称为混合波束成形系统,不 仅要克服高传播损耗,还要降低硬件复杂性。从已有研宄来看,混合波束形成系统的设计分 为全连接架构和子连接架构。5G引入波束管理的新特性,也是面向大规模天线的最新优 化。根据频段的不同,标准中文持的波束数量有所不同,在低频段(3GHz以下),最大波 束数量为4个,在中频段(3~6GH),最大波束数量为8个,在高频段(6GHz以上), 最大波束数量为64个。 山国利技论文在线 http:/iwww.paperedu.cn RF链路 RF链谘 基带 NH N N 基带 RF链路 链路 95 图2混合波束赋形基础架构 Fig 2 Hybrid beamforming infrastructure 在只考虑模拟波束赋形的情况下,如图2所示,发送端的个独立数据流通过个 射频链路转换为模拟信号,再经过模拟波束赋形矩阵T传输到空间无线信道,p是信号的 100 平均发送功率,接收端收到信号为 HTS+n(式-5) 接收端应用×维的模拟波東赋形矩阵Rg处理后,得到 =RBr=√ RHTS+RBn(式-6) 基于码本的模拟波束成形依赖于阵列几何结构和波达方向角,本文通过波束搜索方案, 105 从预先改计好的一组备选波束码本中选取最优波束进行通信。在选择波束时,一般将水平面 和垂直面分别划分为N和M个角度,每个角度对应个波束成形权重向量,N和M可以代 表水平和垂直面码本集合的大小,从码本集合中选出波束指向角度与信号到达离开角最近的, 即为最优的波束成形权重向量,从而确定最优模拟波束成形矩阵。 信道建模的方案设计与优化 I10 电磁波信号在物理空间传播过程中,由于建筑物和山体等其他的遮挡,以及多径的传输 会经历时间和频率上的波动,会产生慢衰落和快衰落两和信号衰落。信道模型的系统级建模 是一个非常复杂的流程,路径损耗的计算,大人度相关参数按照一定分布的随机化生成和子 径的时延以及功率分配和根据角度扩展以及功率时延,计算出了径的到达角度以及离开角度, 然后对各个子径的射线参数随机化,以便仿真现实信道模型中更加随机化的簇和子径,进一 115 步地,生成每条子径射线的相位,我们便可以建模出发射信号由基站段到用户端的所经历的 大尺度哀落和小尺度哀落。对应的信道建模流程也主要包含两个部分,慢哀落和快哀落对应 了大尺度衰落和小尺度衰落两个过程,我们生成信道模型的过程参考3GPP标准化文档10ll 中|计算过程实现。 4 国科技论文在线 http:/iwww.paperedu.cn 信道模型构建流程 6GHz以下及6GHz以上信道模型构建 设置场景参数,基站即用户参数 汁算LOS和NLO径概,计算 Path loss, 大尺度哀落跫模过程 刘时延,角度扩展,阴影衰落,角度扩等 小尺度建模衰落过程 算子径时廷及簇功率,计算每条 子径的到达角及离开角,随机各个 射线,生成XPRs参数,生成 骓机相位及信道相关因子 计算信道系数及RSRP, Inh DenseUrban Rural 120 图3信道模型构建小意图 Fig 3 Schematic diagram of channel model construction 在系统级&链路级仿真中,小尺度信道模型()的时间更新操作的运算复杂度较高。 () (6 eX p(Φ) 式-7) xp(Φ) p(2n2( ))exp( 2no( )exp(2丌) 为了降低运算复杂度,·种方案是采取了用空间(内存)换时间(CPU)的策略,即将 125 更新()时所需要的与时间无关的参数都事先缓存起来,这样更新信道时就可以显著 减少计算次数但造成了内存开销过人问题。一方面,当仿真程序支持并行计算时,有限的服 务器内存将成为制约并行计算效率的瓶颈(即即使存在富余的CPU核,由于内存限制,并 行计算也跑不起米),另一方面,频繁的大内存读写操作,也会影响程序运行速度。另一种 内存优化方案是以时间换空间的方式进行计算。审视NLOS径小尺度信道模型()的 时问更新公式,可以发,极化天线方向图场强函 ,(日,,,0,,)、 (0 ( 0)只与多径角度 有关,而与收发天线阵子编号u、S无关的固定函数。 国科技论文在线 http:/iwww.paperedu.cn 收发天线阵子编号u、s仅影响阵子坐标矢量和计算过程,时 0 0 ()(式-8 135 其中,()、()分别表示UE侧第u根接收天线的水平、垂直阵子编号;()、 (分别表示基站侧第s根接收人线的水平、垂直阵子编号;、分别表示UE侧水 平、垂直天线阵子间距;、分别表示基站侧水平、垂直天线阵子间距 注意到 -Sin(e sin(p ()+cos(6.)()(式9) 140 =sin(0 Isin(o +cos 0 )()(式10) 则可以将()的计算公式改写成: ∑,exp(2n p(2x72( D)expe ex eX 其中 ex eXn p(Φ (式-12) 6 ( 145 (,)=2msin(,,)sin(,)(式13) (,)=2z2cos( (式-14) (,)=2n2sin(0,)sin( (式-15) 2T7o cos(0 (式-16) 2丌(式-17) 国科技论文在线 http:/www.paperedu.cn 150 信道模型评估 仿真假设 网络拓扑结构 本文的仿真场景主要分为两种拓扑模型,室内模型及室外七小区模型。 -12m- 155 图4室内热点场景和七小区拓扑模型 Fig. 4 Indoor Hotspot Scene and Seven- Cells topology model 仿真参数 天线模型如图1所示,天线配置的方式表示为( ),面板内部水平方向上相 同极化阵元为个,垂直方向上有个,当N为1时表示天线为单极化方式,N为2时表 示天线极化模式为双极化,天线阵列在水平方向由个面板,在垂直方向由个面板组成, 组成基站人线总数为=2××××。 a室内场景仿真参数 表1室内热点场景仿真参数配置 Tab 1 Indoor hotspot simulation parameter configuration 仿真场景 基站端面板天线配置 (2,4,2,2,2) (4.8.2,2,2) (M,N, P,Ma,N 水平和垂直面板间距 (2A,1A) (4,2A) 水平和垂直天线间距 (0.5,0.52) (0.5.0.54) 载波频率 30GHZ 70GHZ 信道带宽 40MHZ 40MHZ 业务模型 Full buffer业务 Full Buffer业务 信道模型 3GPP TR 38.900 5G CM 3GPP TR 38.900 5G CM 基站端天线数目 32根天线 256根天线 用户端天线数目 2根线 32根大线 7 山国利技论文在线 http:/iwww.paperedu.cn 用户接入准则 基于RSRP选择波宋 基于RSRP选择波束 基站端模拟波束配置 水平波束集合为: 小平波束集合为: [-3*pi8,1*pi8,1“pi/8,3*pi/8] [-78pi/16,-5*pi/16,-3*pi/16 垂直波束集合为:[pi/4,pi/4] 1*pi/16,1*pi/l6,3*pi/16 5忄pi16,7*pi/16] 垂直波束集合 Ipi/8 3pi/8 5*pi/8 ?*pi/81 用户端模拟波束配置 水平波束集合为 水平波束集合为 [-3°pi8,-pi/8,pi/8,3*pi/8 pi8,3*pi8] 垂直波束集合为: 垂直波束集合为: [pi4,3*pi/4] 「pi/4,3°pi/4l 165 b.密集城区仿真参数 表2密集城区场景仿真参数配置 Tab 2 Dense Urban simulation parameter configuration 仿真场景 面板天线配置(M,N,P,MNG) (4,8,2,2,1) (4,8,2、2,2) 水平和垂直面板间距 (4x,32元) (44,2A) 水平和垂直天线间距 (0.5λ,0.84) (0.5λ,0.5 载波频率 4GHZ 30GHZ 信道带宽 lOMHZ 40MHZ 业务模型 Full Buffer业务 Full Buffer业务 信道模型 3GPP TR 38.900 5G CM 3GPP TR.900 5G CM 基站端天线数目 128根天线 256根天线 用户端天线数目 2根大线 32根天线 用户接入准则 基于RSRP选择波束 基于RSRP选择波束 基站端模拟波束配置 水平波束集合为 水平波束集合为: [-5*pi/16,-3*pi/16 [-5*pi/16,-3*pi/16,pi/16,pi/16, pi16, pi/16, 3 pi/16, pi/16,5*pi/16] 垂直波束集合为: 垂直波束集合为: 「5*piS,7*pi/81 用户端模拟波束配置 水平波束集合为:[o 水平波束集合为: 垂直波束集合为:[pi/2][-3*pi/8,pi8,pi/8,3*pi8 垂直波束集合为 「pi/4,3*pi/41 c.下行频谱效率评佔仿真参数 表3eMBB重点场景仿真参数配置 Tab 3 CMBB simulation parameter configuration 仿真场景 室内热点 密集城区 乡村场景 面板天线型(M,N,P,MNg) (1,1,2,4,4) (4,1,2.2,8) (8,1,2,1,4) 水平和垂直面板间距 (22,3.22) (44,1 (N/AA,2元) 山国利技论文在线 http:/iwww.paperedu.cn 水平和垂直天线间距 (0.52,0.8) (0.54.0.5A) (0.5元,0.82) 载波频率 4GHz 4GHZ 4GHZ 信道带宽 I OMHZ LOMHZ L MHZ 业务模型 Full Buffer业务 Full Buffer业务 Full Buffer业务 信道模型 3GPP TR 38. 5G 3GPP TR 38.9005G 3GPP TR 38.900 5G CM 基站端天线数目 128根天线 128根天线 64根天线 用户端天线数目 2根天线 2根天线 2根天线 用户接入准则 基于端口映射的RSRP基丁端口映射的基于端口映射的RSRP 计算准则接入小区RSRP计算准则接入计算准则接入小区 小 机械下倾角 90度 0度 度 电子下倾角 0度 15度 10度 仿真结果及分析 室内热点场景仿真评估结果 175 图5cMBB下室内热点仿真场景SINR-CDF图 Fig 5 SINR-CDF of Indoor Hotspot-eMBB 由图5可知,Casc2为仿真频段为70GH, Cascl仿真频段为30GHz,在70GH信道环 境更加恶劣的情况下,通过増加波束数目及覆盖范围,使得波束搜索模型中的波束宽度更窄, 覆盖范围更加精雀,则可以补偿信道损失。可以得出结论,合理的波束设计方案既能减少算 法设计复杂度,同时能够提供信道增益 (1)密集城区场景仿真结果 图6eMBB下密集城区仿真场景 Coupling LOSS-CDF图 山国利技论文在线 http://www.paperedu.cn 185 Fig 6 Coupling Loss-CDF of Dense Urban-eMBB 图7eMBB下密集城区仿頁场景 SINR-CDE图 Fig. 7 SINR-CDF of DenseUrban-eMBB 190 从图6和图7可以看出在该方案上MIMO信道的增益上, DenseUrban场景下低频和毫 米波频段相差10dB左右,但最后SR值在波束赋形方案下的平均SINR值相近,但边缘 如CDF图5%处,高频配置下仍然相差5dB左右,表明本文中采用的波束拽索模型对信道 传输质量的SINR平均值有极大提髙,但对边缘值影响效果不够理想,也可说明小区中心是 干扰受限系统,而小区边缘是噪声受限系统 195 下行频谱效率仿真结果 表4eMBB重点场景仿真参数配置 Tab 4 eMBB simulation parameter configuration eMBB仿真场景 室内热点 密集城区 乡村场景 平均频谱效率 10.l1 10.38 5.24 (bit/s/Hz/TRXP 要求满足的平均频谱效率 7.8 (bit/S/HZ/TRXP) 频谱效率5%处值 0.32 0.43 bit/s/lz 频谱效率5%处要求满足值 0.3 225 0.12 (bit/S/Hz) 表4中要求满足数据来自国际电信联盟技术文档2,从结果来看,本文实现的基于波 束搜索模型的混合波束赋形方案远超过需要淸足的最小方案。除此之外,本文还对信道模型 200 进行自评估校准,与其它公司结果对比证明构造的信道模型是可靠的。 本文总结 本文首先介绍了天线端口映射原理,接着提出一种基于波朿搜索模型的混合波朿赋形算 法,然后介绍了信道模型及优化方案,最后针对eMBB重点场景进行信道评估及混合波束 赋形技术的性能评估,最后得出结论:(1)混合波束赋形技术卜合理的波束设计方案既能 205 减小算法设计复杂度,又可提供较大信道增益。(2)波束搜索方案对小区中心干扰受限用 户性能增益较大,但对边缘噪声受限用户性能影响较小 10

...展开详情
试读 11P 论文研究-混合波束赋形技术与信道建模方案研究及性能评估 .pdf
立即下载 低至0.43元/次 身份认证VIP会员低至7折
抢沙发
一个资源只可评论一次,评论内容不能少于5个字
weixin_39840650 欢迎大家使用并留下宝贵意见
2019-08-15
  • 至尊王者

    成功上传501个资源即可获取
关注 私信 TA的资源
上传资源赚积分or赚钱
    最新推荐
    论文研究-混合波束赋形技术与信道建模方案研究及性能评估 .pdf 50积分/C币 立即下载
    1/11
    论文研究-混合波束赋形技术与信道建模方案研究及性能评估 .pdf第1页
    论文研究-混合波束赋形技术与信道建模方案研究及性能评估 .pdf第2页
    论文研究-混合波束赋形技术与信道建模方案研究及性能评估 .pdf第3页

    试读结束, 可继续读1页

    50积分/C币 立即下载 >