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什么是先进的天线系统?

发布日期:2019-11-10   作者:小天   来源:www.twl-link.cn   编辑:天科乐   访问量:463

高级天线系统(AAS)是AAS无线电和一组AAS功能的组合。AAS无线电包括与发射和接收无线电信号所需的硬件和软件紧密集成的天线阵列,以及支持AAS功能执行的信号处理算法。与传统系统相比,此解决方案在使天线辐射方向图适应快速时变流量和多径无线电传播条件方面,提供了更大的适应性和可操纵性。另外,可以以不同的辐射图同时接收或发送多个信号。

多天线技术

多天线技术,这里称为AAS功能,包括波束成形和MIMO。这些功能已经在当今的LTE网络中与常规系统一起使用。将AAS功能应用于AAS无线电可显着提高性能,这是因为大量无线电链(也称为Massive MIMO)提供了更高的自由度。

波束成形

发射时,波束成形是将无线电能量通过无线电信道引向特定接收器的能力,如图1的左上象限所示。通过调整发射信号的相位和幅度,可以在UE接收机处实现相应信号的建设性相加,从而增加了接收信号的强度,从而提高了最终用户的吞吐量。同样,在接收时,波束成形是从特定发射机收集信号能量的能力。由AAS形成的光束不断适应周围环境,从而在ULDL中均具有高性能。

1:波束成形和MIMO,填充波束的不同颜色代表流。

尽管通常非常有效,但仅在一个方向上传输能量并不总是提供最佳解决方案。在多路径方案中,无线信道包含多个信号,从发射机到接收机,通过拐角处的绕射以及对建筑物或其他物体的反射,会通过多个不同的路径(方向和/或极化)发送相同的数据流,这是有益的相位和幅度的控制方式使其在接收器处相长地相加[5]。如图1的右上象限所示,这称为广义波束成形。作为广义波束成形的一部分,还可以减少对其他UE的干扰,这被称为零成形。

MIMO(多输入多输出)技术

空间复用(这里称为MIMO)是使用相同的时间和频率资源传输多个数据流的能力,其中每个数据流都可以进行波束成形。MIMO的目的是增加吞吐量。MIMO建立在以下基本原理上:当接收信号质量较高时,与以全功率发送一个数据流相比,以每个流发送功率降低的接收多个数据流更好。当接收信号质量高并且流不互相干扰时,电位很大。当流之间的相互干扰增加时,电势会减小。MIMOULDL中均可使用,但为简单起见,以下描述将基于DL

单用户MIMOSU-MIMO)是将一个或多个数据流(称为层)从一个传输阵列传输到单个用户的能力。SU-MIMO可以因此增加该用户的吞吐量并增加网络的容量。可以支持的层数(称为等级)取决于无线电信道。为了在DL层之间进行区分,UE需要至少具有与层数一样多的接收器天线。

SU-MIMO可以通过在相同方向上以不同极化发送不同的层来实现。SU-MIMO也可以在多径环境中实现,在多径环境中,通过在不同的传播路径上发送不同的层,可以在AASUE之间存在许多强度相似的无线电传播路径,如图1的左下象限所示。

在图1右下象限所示的多用户MIMOMU-MIMO)中,AAS使用相同的时间和频率资源,同时以不同的波束将不同的层发送给不同的用户,从而增加了网络容量。为了使用MU-MIMO,系统需要找到两个或更多需要同时发送或接收数据的用户。而且,为了有效的MU-MIMO,用户之间的干扰应保持较低。这可以通过使用具有零位形成的广义波束成形来实现,以便在将一层发送给一个用户时,在其他同时用户的方向上形成零位。

MU-MIMO可获得的容量增益取决于以良好的信噪比(SINR)接收每一层。与SU-MIMO一样,总DL功率在不同层之间共享,因此,随着同时MU-MIMO用户数量的增加,每个用户的功率(以及SINR)都会降低。另外,随着用户数量的增加,由于用户之间的相互干扰,SINR将进一步恶化。因此,网络容量通常随着MIMO层数的增加而提高,达到用户之间的功率共享和干扰导致收益减少,最终损失也减少的程度。

应当指出,MU-MIMO中许多层的实际好处受到以下事实的限制:在当今的实际网络中,即使有大量同时连接的用户,往往也没有很多用户希望同时接收数据。这是由于向大多数用户传输数据的突发性(混乱)性质。由于必须为最大层数确定AAS和传输网络的大小,因此MNO需要考虑其网络中需要多少层。在具有当前64T64R AAS变体的典型MBB部署中,最多可以通过8层来实现DLUL容量的绝大部分增长。

获取AAS的渠道知识

用户天线和基站天线之间的无线电信道知识是用于UL接收和DL传输的波束成形和MIMO的关键要素。这允许AAS调整层数并确定如何对其进行波束形成。

对于UL数据信号的接收,可以根据在UL传输上接收到的已知信号来确定信道估计。信道估计可用于确定如何合并接收到的信号,以改善期望信号功率并减轻来自其他小区或在MU-MIMO情况下来自同一小区内的干扰信号。

另一方面,DL传输通常比UL接收更具挑战性,因为在传输之前需要先获取信道知识。基本波束成形对必要的信道知识的要求相对较低,而通用波束成形具有较高的要求,因为需要更多有关多径传播的详细信息。此外,由于通常需要以高粒度和准确性来表征更多的信道,因此在针对MU-MIMO的零形成方面减轻干扰甚至更具挑战性。在UEAAS之间获取DL信道知识的基本方式有两种:UE反馈和UL信道估计。

对于UE反馈,基站在DL中发送已知信号,UE可将其用于信道估计和生成在UL中的控制信道上发送给AAS的反馈。

对于UL信道估计,根据使用时分双工(TDD)还是频分双工(FDD)而存在差异。对于TDDULDL传输使用相同的频率。由于无线电信道是对等的(在ULDL中是相同的),因此可以使用来自已知信号的UL传输的详细短期信道估计来确定DL传输波束。这被称为基于互惠的波束成形。对于全信道估计,应从每个UE天线并在所有频率上发送信号。对于FDD,在ULDL使用不同的频率时,信道不是完全互易的。但是,可以通过适当地平均UL信道估计统计量来获得DL长期信道知识(例如主导方向)。

使用的合适的信道知识方案取决于UL覆盖范围和UE能力。在UL覆盖受限的情况下,UE反馈提供了更鲁棒的操作,而完整的UL信道估计适用于覆盖良好的场景。简而言之,需要互易和基于UE反馈的波束成形。

天线阵列结构

如图2A部分所示,使用矩形天线阵列的目的是使高增益波束成为可能,并使这些波束在一定角度范围内转向成为可能。通过结构性地组合来自多个天线元件的信号,可以在ULDL中获得增益。天线元件越多,增益越高。通过单独控制天线阵列较小部分的幅度和相位来实现可操纵性。如图2C部分所示,通常通过将天线阵列划分为所谓的子阵列(非重叠元素组),并将每个子阵列两个专用无线电链(每个极化一个)应用于启用控制,如D节所示。通过这种方式,可以控制创建的天线阵列波束的方向和其他属性。

2:典型的天线阵列(A)由各个双极化天线元件(B)的行和列组成。天线阵列可以分为子阵列(C),每个子阵列(D)连接到两个无线电链,通常每个极化连接一个。

为了了解天线阵列如何产生可控的高增益波束,我们从特定大小的天线阵列开始,然后将其划分为不同大小的子阵列。为了说明的目的,我们仅描述一个维度。但是,相同的原理确实适用于垂直和水平尺寸。

阵列增益被称为当所有子阵列信号被相长地(同相)相加时获得的增益。相对于一个子阵列的增益,阵列增益的大小取决于子阵列的数量-例如,两个子阵列的阵列增益为2(即3 dB)。通过以某种方式改变子阵列信号的相位,可以在任何方向上获得该增益,如图3A部分所示。

每个子阵列都有一个特定的辐射图,描述了不同方向上的增益。增益和波束宽度取决于子阵列的大小和各个天线元件的属性。子阵列增益和光束宽度之间需要权衡子阵列越大,增益越高,光束宽度越窄,如图3B部分所示。

总天线增益是阵列增益和子阵列增益的乘积,如图3C部分所示。元件的总数确定了最大增益,并且子阵列划分允许在天线上方控制高增益波束。角度范围。此外,子阵列辐射图确定了窄光束的包络线(图3C部分的虚线形状)。这对在具有特定覆盖范围要求的实际部署方案中如何选择天线阵列结构具有影响。由于每个子阵列通常都连接到两个无线电链,并且每个无线电链的附加组件都与成本相关联,因此在选择具有成本效益的阵列结构时,考虑附加操纵性的性能优势非常重要。

3:支持高总天线增益和可操纵性的子阵列阵列。

部署方案

要确定哪种AAS配置最适合特定部署场景并具有成本效益,则需要综合了解该场景,可能的站点限制和可用的AAS功能,尤其是光束的垂直可控性,基于互易性的波束成形的适用性以及来自MU-MIMO的增益。

我们选择了三个典型的用例来说明AAS部署的不同方面:农村/郊区,城市低层和密集的城市高层。图4描绘了包括相关特性,合适的AAS配置和性能潜力的场景。参考文献[4]中提供了对AAS可以实现的性能的更详细的评估。

4:合适的AAS配置,示意性MU-MIMOSU-MIMO使用范围以及不同部署场景下的典型容量增加

部署方案1:密集的城市高层

如图4A部分所示,密集的城市高层场景的特征是高层建筑,200 500m的短站点间距离(ISD),大流量和高用户密度,并且在该区域中用户分布广泛垂直尺寸。对于给定的流量负载,主要的网络演进驱动力是增加容量或等效地提高最终用户的吞吐量。

对于诸如2T2R之类的常规非波束形成系统,用户的垂直扩展与小型ISD相结合会导致许多用户位于最近基站的垂直主波束之外的情况。与高站点密度一起,导致来自干扰基站的信号很强的情况,并且可能发生严重的干扰问题。

在密集的城市高层场景中,所需的AAS特性包括足够大的天线区域,以确保足够的覆盖范围(UL小区边缘数据速率)。此外,垂直覆盖范围需要足够大以覆盖用户的垂直分布。这需要小的子阵列,其在垂直方向上具有宽光束。将天线划分为小的子阵列会产生高增益波束,可以在较大的角度范围内进行控制,并有效解决了传统系统中遇到的干扰问题。AAS需要具有足够数量的无线电链来支持相对大量的子阵列。用户的良好覆盖范围和广泛传播意味着,相对多的复用用户而言,基于互惠的波束成形和MU-MIMO的潜力很大,AAS应该支持这些技术。在64条无线电链控制小型子阵列的情况下,可以在复杂性和性能之间取得良好的平衡。

部署方案2:城市低层

4 B部分所示的城市低层建筑场景代表了世界上许多大型城市,包括许多高层城市的郊区。基站通常部署在屋顶上,站点之间的距离只有几百米。与密集的城市高层场景相比,单位面积的交通流量更低。通常存在建筑物类型的混合,这会在AASUE之间创建多路径传播。最大化天线面积对于提高UL小区边缘数据速率非常重要,尤其是对于采用TDD的更高频段。由于更大的ISD和用户(较低建筑物)的垂直传播减少,与密集的城市高层建筑相比,垂直覆盖范围可以减小;因此,可以使用较大的垂直子阵列,并且垂直波束形成的增益较小。对于给定的天线区域,使用更大的子阵列意味着需要更少的无线电链。水平波束成形是一项非常有效的功能,可提供较大的增益。基于互惠的波束成形方案将适用于大多数用户,但有些覆盖范围较差的用户需要依赖基于反馈的波束成形等技术。由于多径传播环境,良好的链路质量和UE配对机会,MU MIMO在高负载下也适用。在复杂性和性能之间进行权衡的是具有1632个无线电链的AAS。但有些覆盖范围较差的用户需要依靠基于反馈的波束成形等技术。由于多径传播环境,良好的链路质量和UE配对机会,MU MIMO在高负载下也适用。在复杂性和性能之间进行权衡的是具有1632个无线电链的AAS。但有些覆盖范围较差的用户需要依靠基于反馈的波束成形等技术。由于多径传播环境,良好的链路质量和UE配对机会,MU MIMO在高负载下也适用。在复杂性和性能之间进行权衡的是具有1632个无线电链的AAS

部署方案3:农村/郊区

如图4C部分所示,农村或郊区的宏场景的特点是屋顶或塔顶安装的基站,站点间距离范围从一公里到几公里,人口密度低或中等,垂直用户分布很小。这种情况要求AAS具有较大的天线面积并能够支持水平波束成形。但是,由于垂直用户散布较低,因此垂直波束成形不会提供任何明显的收益。因此,具有小的垂直覆盖区域的大的垂直子阵列是合适的。与其他方案相比,更少比例的用户支持基于互惠的波束成形,并且MU MIMO增益受到更大的限制。在复杂性和性能之间进行权衡的是具有816个无线电链的AAS

结论

最近的技术发展使高级天线系统(AAS)成为在现有4G和未来5G移动网络中进行大规模部署的可行选择。AAS支持最先进的波束成形和MIMO技术,这些技术是用于改善最终用户体验,容量和覆盖范围的强大工具。结果,AAS显着增强了上行链路和下行链路的网络性能。

在高层建筑和高用户密度的密集城市高层场景中,具有垂直和水平方向波束形成功能的AAS是最有利的选择。在通常不需要垂直波束形成的郊区/农村场景中,具有较少无线电链的更具成本效益的AAS的性能通常就足够了。无需许多MIMO层即可实现较高的AAS性能。

少量的AAS变体在非常广泛的部署方案中提供了显着的优势,使移动网络运营商可以在其整个网络中享受具有成本效益的AAS的优势。结果,在未来的无线网络部署中,AAS的重要性可能会迅速提高。


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