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毫米波波束形成作为5G蜂窝通信的一种实现技术:理论可行性和原型结果
摘要
移动通信中日益增长的流量爆炸式增长，最近引起了人们对毫米波频段中大量未充分利用的频谱的更多关注，这是一种潜在的可行解决方案，可以比目前的4G蜂窝网络实现数十至数百倍的容量。从历史上看，毫米波段被排除在手机使用之外，主要是因为担心短距离和非视线覆盖问题。在本文中，我们展示了来自信道测量运动的最新结果，以及先进算法和原型的开发，这清楚地表明毫米波段可能确实是下一代(5G)蜂窝系统的一个有价值的候选。总结了美国和韩国进行的信道测量结果，以及在消声室中进行的实际自由空间传播测量。然后给出了一种新的混合波束形成方案及其链路级和系统级仿真结果。最后，介绍了我们的毫米波原型研究的最新成果以及室内和室外测试结果，以确定毫米波带用于蜂窝的可行性。
介绍
先前仅限于有线传输的带宽密集型沉浸式媒体服务，现在正进军移动设备领域。视频流量占手机流量的51%，预计到2017年将增至67%[1,2]。全高清视频也越来越多地通过YouTube等社交媒体分享，超高清(UHD)和3D视频内容最终将在不远的将来占据主导地位。
在过去的几年里，电信业和学术界在第四代(4G)长期演进(LTE)方面投入了大量的研究工作，通过提高频谱效率、部署更多基站和/或聚合更多频谱，为终端用户提供更高的数据速率。LTE的一些改进,比如先进的多输入多输出(MIMO),协调多点(薪酬),异构网络(HetNets)和载波聚合(CA),提供所需的额外的能力来维持交通飙升在接下来的几年中,他们被视为一个可行的解决方案来支持数百倍的交通需求预测在2020年及以后,所谓的5G的时代。
为5G时代寻找创新解决方案的竞赛最近在全球范围内展开。2013年初,欧盟委员会宣布将投资euro;5G研究5000万年的2013多个项目,如梅蒂斯人紧接着的形成中国政府主导的IMT-2020提升集团在2013年2月,朝鲜政府主导的5G启动论坛于2013年5月。虽然5 G的标准化规范等标准组织的第三代合作伙伴计划(3 GPP)和正式批准5G标准由国际电信联盟(ITU)仍然是几年,许多共享愿景,5G的峰值数据速率应每秒数万giga-bits,为终端用户提供吉比特每秒的经验。
我们还认为，5G系统应该能够显著改善蜂窝容量，提高用户数据速率，以适应未来快速增长的流量需求。具体来说，从数据速率的角度来看，我们预计5G系统将在任何地方提供至少1 Gb/s的数据速率，为所有用户提供统一的Gb/s体验，而高机动性和行人用户的数据速率将分别达到5Gb/s和50Gb/s[3,4]。
作为实现上述5G愿景和要求的最具创新性和有效性的解决方案之一，在诸如毫米波(mmWave)波段等非常高的频率上使用大量未充分利用的频谱最近引起了极大的兴趣[5-7]。传统上，由于高传播损耗和缺乏具有成本效益的组件等原因，这些频率主要用于室外点对点回程链路或为室内应用程序携带高分辨率多媒体流，但不用于蜂窝接入链路。为了将这些未充分利用的频谱用于未来的室外蜂窝应用，必须克服两个关键障碍:足够大的地理覆盖和即使在非视距(NLoS)环境中对移动的支持，在这种环境中发射机和接收机之间的直接通信路径被障碍阻塞。
在本文中，我们将根据最近的仿真和实验结果介绍如何克服这两个技术挑战。首先，我们通过展示实际的3ghz贴片天线和相同物理尺寸的30ghz阵列天线的测量结果，澄清了人们对Friis方程[8]和更高频率下的传播损耗的一个常见误解。总结了美国和韩国最近开展的毫米波信道测量运动的一些结果和见解。然后，我们提出了一种新的混合波束形成方案，该方案充分利用了模拟和数字域波束形成的优点，并给出了链路级和系统级仿真的示例结果。最后，我们提供了详细的描述我们的毫米波波束形成原型及其最新的现场测试结果在室内和室外环境。
毫米波信道传播:理论与测量
对于移动蜂窝通信，使用毫米波频带（相对于传统的低于6 GHz的蜂窝频带）一直存在关注。一些关于在较高频率下的传播特性的关注，如更高的穿透率、降水量和树叶损失是合法的，尽管额外的传播损耗的实际量取决于建筑物的材料、雨的强度或树叶的厚度而变化。然而，在较高频率下传播特性的最常见的误解是，即使在自由空间中，它们的传播损耗也比低频率要高得多，因此不适合长距离通信。
为了澄清这个误解，让我们从FRIS传输方程出发，由Pr给出，
其中PR是无障碍自由空间中的接收功率，Pt是发射功率，Gt和Gr分别是发射和接收天线增益，R是发射机和接收机之间的距离米，f是载波频率，c是光的速度。当理想的各向同性辐射器（Gt＝1）和理想的各向同性接收器（Gr＝1）在每个端部使用时，接收的功率可以容易地被视为与频率平方成反比。
然而，实际上，天线两端或天线增益大于GUT的GT和GR阵列通常在两端使用，并且天线增益与给定固定物理孔径大小的频率平方成比例[8 ]。因此，给定相同的物理孔径大小，在较高的频率下发射和接收天线，实际上，通过较窄的定向波束发送和接收更多的能量，这是不常见的〔9〕。为了验证这一点，已经在两个天线分别支持3GHz和30GHz的消声室中进行了测量，如图1所示。
设计了3GHz的贴片天线和30GHz相同物理尺寸的阵列天线，并将其放置在每个通信端的消声室中。如FRIIS方程和上面的论证所预期的，图1中的结果显示了当30 GHz接收端使用相同物理孔径尺寸的阵列天线时，无论工作频率如何，传播损耗都是相同的。此外，当在30GHz的发射端和接收端使用阵列天线时，测得的接收功率比3 GHz贴片天线盒的接收功率高20分贝。
随着上述实验室测量，最近有关于户外信道传播特性的研究，其显示了利用更高频率的频带用于蜂窝通信的潜力（10—14）。在〔10,11〕中，在得克萨斯大学奥斯汀分校校园内分别进行了38和28 GHz的室外信道测量。另一个信道测量活动在28 GHz下进行，以在韩国Suwon的三星电子站点（3,12）产生郊区环境的测量数据。另外，在纽约曼哈顿进行了密集的城市环境中的信道特性的调查（13, 14）。所有这些信道测量在38和28GHz下进行，而不是60GHz和E-波段，考虑到许多方面，包括区域监管状态和大量许可频谱的可用性。
这些研究结果表明，表征MMWAVE频带的传播特性的关键参数，例如路径损耗指数，与发送和接收天线用于产生波束成形增益时的典型蜂窝频带相比是相当的。例如，建立传输链路的距离可达200至300米，路径损耗指数在3.2至4.58的NLOS和1.68至2.3的LOS环境中，这类似于在传统蜂窝频带中测量的路径损耗指数。读者应该注意到，由于在LoS环境中的街道走廊或隧道中的反射和直接路径的建设性增加，经常会观察到低于2的路径损耗指数。
虽然在韩国和美国（10—14）的作者正在进行更广泛的测量活动，以建立一个综合的统计毫米波信道传播模型，但是很明显，毫米波频带作为下一代蜂窝服务的候选频带具有很强的潜力。在验证信道可行性之后，下一步是开发底层核心技术，以最有效地利用毫米波频带中丰富的频谱，并证明商业可行性。我们描述了毫米波波束形成算法作为一个关键的推动者，以实际获得和管理蜂窝环境中的高波束形成增益，其次是我们的毫米波原型及其性能的详细描述。
毫米波波束形成算法
如前所述，为了克服不利的路径损耗，在期望的方向上聚焦发送和接收信号的适当波束形成方案是毫米波频带上蜂窝通信的关键推动者之一。毫米波频率的小波长有助于在紧凑的形状因子中使用大量的天线单元来合成对应于大阵列增益的高方向性波束。
根据波束形成结构，形成定向波束所需的波束成形权重可以应用在数字或模拟域中。数字波束形成是以数字预编码的形式进行的，该数字预编码将特定系数乘以每个RF链的调制基带信号。另一方面，对于模拟波束形成，应用复系数来控制RF信号，通过控制移相器和/或可变增益放大器（VGA）。当与正交频分复用（OFDM）系统结合时，在发射机上的快速傅立叶变换（IFFT）操作和接收机的FFT操作之后，在副载波基础上进行数字波束形成，而在IFFT操作之后的时域中进行模拟波束成形。E发射机和接收机前的FFT操作。
一般而言，数字波束形成提供了更高的自由度，并以增加的复杂性和成本为代价提供更好的性能，这是因为每个RF链需要单独的FFT/IFFT块（OFDM系统）、数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC）。另一方面，模拟波束成形是从大量天线产生高波束形成增益但比数字波束成形更不灵活的简单有效的方法。正是这种灵活性/性能和简单性之间的权衡驱动了混合波束形成架构的需求，特别是当需要在毫米波频带中需要大量天线时。
图2示出了应用于发射机和接收机的混合波束形成架构。在这种结构中，由模拟波束形成（移相器）形成的锐利波束补偿了毫米波频带上的大路径损耗，并且数字波束形成提供了必要的灵活性来执行诸如多波束MIMO之类的先进多天线技术。
在毫米波频带中的混合波束形成架构的模拟性能在[5 ]中给出，其中链路和系统级仿真结果提供了不同数量的发射/接收天线和RF链。在28 GHz下使用500 MHz带宽，[5 ]为混合波束形成系统提供了一些显著的结果，包括在传统的空间复用方案上的8 dB增益和8 Gb/s的平均扇区吞吐量，在基站上具有4个RF链的16个天线和在移动台上具有单个RF链的8个天线。
毫米波波束形成原型
在本节中，我们将详细介绍在韩国三星电子公司DMC研发中心开发和测试的毫米波波束成形原型，包括系统配置、关键参数和能力。MMWAVE原型的主要目的是检查MMWAVE频带对于蜂窝服务的足够大的地理覆盖的可行性和即使在NLoS环境中对移动性的支持。其结果是，如图3所示，开发了一种毫米波自适应波束形成原型，包括RF单元、阵列天线、基带调制解调器和诊断监视器（DM）。
发射阵列和接收阵列天线都有两个信道，每个信道包括32个天线单元，它们以均匀的平面阵列（UPA）的形式布置，具有8个水平和4个垂直元件，限制在60毫米times;30毫米的区域内。这个小的足迹是由载波频率的短波波长为27.925 GHz的。发射和接收阵列天线的两个信道被设计为支持各种MIMO和多天线的多天线方案。阵列天线连接到RF单元，RF单元包含一组移相器、混频器和相关RF电路。该移相器组控制发送到天线的信号的相位，以形成期望的波束图案。因此，通过将移相器值设置为特定的组，发射和接收阵列天线能够在预期水平（方位）和垂直（仰角）角度形成锐利的波束图案。
为了减少硬件复杂度，采用子阵列架构将8个天线分组到子阵列中，因此只需要每个信道4个RF单元而不是32个。RF路径数目的减少导致天线增益在所需角度（除了天线瞄准角）的减小，波束扫描范围的减小，旁瓣电平的增加，但仍然满足总体波束形成要求。在天线瞄准角处，波束的半峰宽（FWHM）约为10°水平，垂直方向为20°，波束形成增益为18dBi。此外，预定义了一组波束模式，以减少发射机和接收机之间的自适应波束形成操作所需的反馈开销，其中重叠波束模式覆盖每个波束具有唯一波束标识符（ID）的预定服务区域。基带调制解调器使用这些波束ID来控制移相器的权重，并将优选的NSM波束信息反馈给发射机。表1列出了实现的原型系统的关键系统参数。
图3中所示的基带调制解调器被设计和实现，用于商业化的现成的信号处理单元，包括Xilinx ViReX-6现场可编程门阵列（FPGA），以及ADC和DAC，每个ADC和DAC都具有高达1 Gs/s的转换速率。调制解调器模拟前端（AFE）的模拟信号端口连接到RF /天线输入（输出）端口，以发送（接收）复杂的模拟基带信号。此外，基带调制解调器连接到开发的DM程序，以可视化系统的运行状态，并收集包括数据吞吐量的系统统计数据，PACKE。T错误率，发射/接收波束ID，接收信号星座，和信号强度。
建立了上述两组毫米波波束形成原型，起到基站和移动台的作用，并在室内和室外环境中进行了各种实验室和现场测试。对于下行链路传输，基站周期性地在预定义的波束中发送波束测量信号序列，使得移动站也可以在预定义的接收波束中执行发射接收波束对的信道质量测量，从而选择用于数据传输的最佳波束对。所选择的基站发射波束ID被反馈回基站以进行随后的下行链路传输，直到下一次更新事件为止。以这种方式，基站和移动台快速建立无线通信链路，并且即使在高迁移率条件下也自适应地维持链路。上行链路的通信链路设置以类似的方式完成，基站和移动台的角色互换。所设计的毫米波波束形成原型被设计为在45毫秒内完成对最佳发射和接收波束对的搜索。
样机试验结果
使用前一部分所描述的MMWAVE自适应波束形成原型，在2013年初在韩国Suwon的三星电子总部的校园里进行了全面的室内和室外现场测试。
在基站中实现了1.056Gb/s的聚合峰值数据速率，在基站上支持两个具有528 Mb/s的固定移动台的两个信道具有可忽略的分组错误。在LOS环境中的户外范围测试中，验证了可忽略的错误（块差错率，BLER，小于10times;6，块大小为672比特）的通信范围，直到1.7公里，传输功率余量为10分贝（15）。1.7公里的限制是由于频谱许可证问题，作者相信，更长的范围实际上是可能的。此外，户外覆盖测试进行了示范服务的可用性在一个典型的室外环境的LOS和NLOS站点。这些测试是在高楼周围的场地进行的，如图4所示，各种建筑物的传播效果如反射、衍射或穿透将发生。
从图4中的测试结果可以看出，即使在200米以外的NLOS站点，也发现了令人满意的通信链路，主要是由于邻近建筑物的反射。另一方面，有几个位置不能建立适当的链路（即覆盖空洞），这就需要覆盖改进的解决方案，例如优化的小区部署、小区间协调、中继或中继器。
考虑到实际蜂窝网络中的重要操作场景之一，还研究了室外基站和室内移动站之间的通信。测试结果，如图5所示，在室外基站与室内移动站之间的链路质量存在于一个典型的现代办公大楼内，其中有大量的着色玻璃在150米以上的分离。这些类
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