Houman Zarrinkoub,Mathworks
5G波束成形已成为MIMO技术中可以用于开发5G系统的可扩展和经济的选择。5G波束成形分离RF和数字域之间的设计。
在本网络研讨会中,我们将讨论端到端的5G混合波束形成设计工作流程。主题包括:
记录时间:2021年1月15日
你好,每个人。我叫Houman Zarrinkoub。我是无线产品和MathWorks的产品经理,包括5G, LTE,无线局域网,通信工下载188bet金宝搏具箱。很高兴欢迎大家参加本次名为5G波束形成设计的MathWorks网络研讨会。
让我们走出这个演示的议程。在一些介绍性讲话后,我基本上将提出与5G波束形成相关的五个不同的部分。第一部分是大约5G波形生成。第二个主题是关于频道建模和预编码的。当您使用波束成形方案时,您必须了解通道对传播环境的影响,并且您也必须设计专门引导传输的预编码器。
这就引出了第三个话题,天线阵列设计和MATLAB工具,我们不仅要设计天线元件,还要设计天线阵列,以帮助表征或波束形成性能。另一个主题是混合波束形成。全数字波束形成的复杂性和功耗可以通过使用混合波束形成方法来降低,混合波束形成方法将波束形成分为两种模式。在某些方面是模拟方法,在某些方面是数字方法。
最后,您必须设计RF前端,以提高您的性能,为此,我们有MathWorks的工具,可帮助您对射频传输链进行功率放大器和设计DPD和其他元素。最后,我要提供一些摘要。
让我们来支持5G的技术。如您所知,5G具有多种用例,并且最熟悉的用例之一是5G增强的移动宽带。这是挑战,即现在朝向5G的网络正在处理,我们如何在移动通信中大大提高吞吐量和数据率[?定义。?]
所以我想到的解决方案如下。金宝搏官方网站你可以通过使用信号来增加带宽,一个更大的带宽。您可以提高吞吐量。你也可以从一个赫兹的带宽中挤出更多的带宽。这叫做更好的频谱效率,每赫兹每秒可以使用多少比特。
您还可以使用灵活的接口。在这种情况下,它意味着使用使用OSM或OSDMA和多用户MIMO的多载波通信系统。而且,您可以使用小型电池,使您可以基本上使用MIMO技术来实现更好的接收功率和性能。
另一种方法也在使用更高的频带。这是5G将展出的主要主题之一。在4G和类似的通信系统之前,我们超越了在4G之前的6千兆赫兹频率的典型中,而不是在典型的6千兆赫兹频率下工作。赫兹,?]毫米再次。并使用这一点,您可以为您提供大量的乐队,您可以从本质上实现您想要的高吞吐量。
现在,所有这些事情都没有冒险。您决定转到毫米波和更高频率的那一刻,简单的语调成为一个真正的问题。带宽非常宽的系统,频率选择性衰落成为一个真正的问题。并且您必须认真地查看像OSTM,OSTMA和信道估计均衡等多载波系统,以便打击频率选择性衰落的效果。而且,您需要富有的分散的传播环境,以使这种可行或有可能的系统。然后,您必须不断更新您的频道特征和模型。
如何把它整合在一起。您正在使用高载波频率,较大的带宽和大型天线阵列。这是一种适用于5G的方法,尤其是毫米波。这被称为巨大的MIMO。巨大的MIMO基本上意味着您正在使用非常大的天线光线,按大约64-64,128,256等的顺序。请记住,如果您正在进行所有数字波束成形,这些大型天线阵列都在发送此信号的每个天线后面,都有一个RF模拟链,需要大量功率和复杂性的宽带链。
因此,为了减轻这些大规模的MIMO系统的电力和耗散问题,已经提出了混合结构来实现最佳妥协。正如您所看到的,在视野中,未来的MIMO技术与发射器具有狭窄的光束,该横梁针对每个单独的接收器,即在多用户MIMO场景中。这需要大的天线阵列来实现,基本上,窄的光束。
我们没有在各方向各向同性的那种传输。我们正在做重点传输。为了实现这一目标,您需要基本上与RF链一起协调您的预编码和波束成形,使得您可以以不同的窄光束角度定制到不同用户的设计传输。那么这种混合波束成形5G架构的工作流程是什么?
您需要生成波形。这些波形基本上决定了您使用的带宽程度,并且在5G中有很多灵活性,我与您交谈了这一点。您必须设计天线和天线阵列使您能够实现参与多用户MIMO大规模,MIMO结构的过程的那些窄光束。您必须具有具有大量散射的代表性频道模型,包括以使得到达角度,偏移角度,发射器接收器的局部的基本估计。
所有这些都是可能的。基于此,如果你想使用特殊的多路复用并在不同的天线端口上发送多个流,你必须计算预编码矩阵,这是数字波束形成的要求。乘法[?]的数字预编码矩阵?权重?]到数字波束形成架构,以数字方式将信号引导到您想要的方向。如果你正在做混合波束形成,你还必须考虑模拟波束形成部分,那些使用移相器的元素,以便基本上在模拟上下文中引导而不使用所有的RF链来引导波束在另一个方向上。
在完成这一切之后,你必须考虑RF前端、放大器、滤波器等的影响,并确保在你的频带内,放大是线性的,否则,你会遭受很多痛苦。因此,所有这些考虑因素(即呼叫系统级设计考虑因素)都将发挥作用,以产生成功的5G混合波束形成架构。
让我们讨论第一个元素,5G波形生成。2018年5G标准化。在MathWorks中,我们介绍了我们的5G工具箱,我们的MathWorks产品,允许您在2018年对5G系统建模、模拟和测试。而5G技术的特点之一就是基于OFDM,但与4G不同的是,子载波间距或频率分辨率是恒定的,5G中分辨率频率的子载波间距是可变的。
因此,两个子载波之间的频率的差异可以是15千赫兹或15千赫兹或电源的倍数,或者为2,30,60,120等的倍数。现在,我们在时间和频率之间具有二元性,这意味着如果您的子载波间距或某些东西短,则持续时间很长。因此,对于15千赫兹,1毫秒的时隙,随着子载波间距增加,时隙的尺寸减小。
但是你知道我们使用多个子载波间距的分钟,我们立即实现了更高的带宽。因此,如果您通过15千赫尔兹船载流子发送相同的信息,则在50 Megahertz,如果您喜欢,带宽。但是,通过将子载波间距加倍,您占据,基本上,100 Megahertz。这些是在时间频率分辨率方面显示5G的灵活性的考虑因素。这些是您必须生成的波形类型,以便测试和验证您的5G和5G波束成形设计。
正如我提到的,5G工具箱支持上行和下行5G波形产生。正金宝app如你所看到的,我们有波形和5G工具箱,基本上,允许你有各种面向子载波的混合数字、信号和波形,多个带宽部分,每个带宽部分与不同的用户或EU、多个物理下行链路或物理上行链路共享信道相关联。它们都是完全可参数化的,允许同步信号和突发,SS突发,这是同步5G中所有内容所需要的。
我将向你展示一个非常简单易用的应用程序,名为无线波形发生器应用程序,自2018年B版发布以来,我们就在工具中引入了这个应用程序,对你来说,生成5G波形是多么容易。你将会交互地测试你的无线设计,通过点击正确的参数来使用一个应用程序。即使您不是熟练的MATLAB程序员,您也可以交互式地参数化并生成5G波形。
波形IQ样本在基带,你可以看到生成它们的MATLAB代码。如果你使用的是连接到MATLAB的射频仪器,你可以在MATLAB环境中通过空气传输它们。转到MATLAB。看看这个被称为无线波形发生器应用程序的应用程序,它使5G波形生成过程非常容易。
在Matlab中,版本发布了2020A,我们可以进入“应用”选项卡并查找无线波形生成器应用程序。现在,此应用程序使您可以生成各种波形,而无需编写单行MATLAB代码。如您所见,此处提供多种标准的波形,5G和R,DLT或4G,无线LAN或Wi-Fi,不同的口味和蓝牙低能量。
现在,我们专注于5G波形生成。请注意,您可以生成,上行链路或下行链路固定参考通道,或者我们可以在RTM中使用新的无线电测试模型。在这种情况下,我们将选择RTM。我们这里有多种选项,频率范围fr1,低于6个GigaHertz频率或FR2D,[听不清],并选择FR1,以及此处可用的多个基于标准的测试模型。它们中的每一个都代表不同的调制方案和带宽的使用。
我们将选择由TM3.1的64 QAM全频段查看。就频道带宽而言,正如您可以想象的那样,我们这里有多种带宽可能性。我们可以选择10兆赫兹带宽。并且子载波间距可以是值15,30和60.我们将选择30千赫兹并选择我们的双工模式FTP。当然,如果需要,我们也可以进行过滤。
只需设置参数并点击生成按钮,您就可以看到我们可以生成相应的5G和R波形。正如你所看到的,带宽是10兆赫,你可以看到我们有一个通道视图,通道边缘,保护带和传输带宽。我们有资源网格中各种元素的表示。
请注意,您可以转到可视化并向信号添加其他元素,包括查看IQ样本的时间范围。您可以替代地转到损伤部分并向您的信号添加各种障碍。这是当您实际建模传输或接收时。在软件中进行模拟,您可以在此处添加各种损伤。
最后,您可以将信号导出到工作区或要用于进一步处理的文件中。好了,让我们来看看第二个主题,信道建模和预编码。现在,5G标准,最早发布的5G标准之一是5G通道模型。这些信道模型在技术报告38.901中介绍,它们允许您对MIMO信道模型具有非常严格的空间信道建模特性。
本质上,我们不仅有传统的信道模型,还有像延迟模型,TDL和CDL模型以及脉冲响应和多普勒频移时的延迟扩展。我们也有天线阵列的几何规格它能让你知道什么时候波束形成的信号在空中传输,散射的影响是什么,所有其他的信道模型都是基于我们在散射点看到的星系团。因此,5G允许您为MIMO和基于波束形式的传输指定一个非常好的信道建模规范。
MathWorks中的其他工具,我们拥有通信工具箱,我们的产品,以及相控阵系统工具箱,可在传播渠道方面提供更多的支持。金宝app我们有自由空间路径损耗,可用于大气和雾和云层引起的距离或衰减。MIMO多径衰落频道。我们有赢家II衰落频道模型和散射MIMO频道,允许您确切地指定您的发送器,接收器的位置和散射者的位置,您可以在Matlab中完成所有,并找出实际收到的内容由于传播信道模型,功率信号在接收器到达。
让我们来看看MIMO的DODM数据流到LTE和5G的基础和其他类似的东西。因此,当您想进行波束成形或特殊复用,特别是MIMO信号处理或OFDM信号时,该过程基本上分为两个阶段。您必须根据频道响应或频道的频率响应来执行频道听起来的那样。
您发送前导码以传输该信号。它通过MIMO或您的传播环境。它在OFDM的接收者处收到。信号处理已完成OFDM解调,您可以执行MIMO信道估计。在每个子载波上,您的执行基本上,您将计算频道矩阵。在每个子载波中提供与接收端口的每个子载波的增益矩阵。
对于使用SVD的每个矩阵,它都可以对角化,您可以找到可以对角化系统的预编码矩阵,这意味着如果您在这种情况下使用这些预编码矩阵V,那么您可以将传输数字地导向一个能够最大限度地保留接收机的方向。这就是频道的声音。
在下一步中,基本上通过波形生成,然后从探测环境中进行,使用计算的预编码矩阵,并将OFTM与预编码进行了预编码。然后发生了MIMO频道。他们收到光束转向,OFDM发生。并且,通过信道估计和均衡,您实际上重新计算了传输或使用它以恢复数据库的预编码矩阵。这是5G系统中使用的MIMO DOM数据流的过程。
所以预编码起着很大的作用,因此信道解算在成功的5G预编码中起着很大的作用。5G的实际方法是使用CSI和参考信号,他们使用码本在UE上找到最佳预编码矢量匹配,并在上行链路中将其传输到基站,以便在后续传输中使用预编码方法。但是,这种架构说明了数字预编码、信道资金和传输如何携手并进。
所以回到Matlab环境中,我想从键入WOD文件,文档开始。在文档中,寻找大规模的MIMO。现在,这让你到了今天我想告诉你的例子。它被称为大规模的MIMO混合波束形成。这是一个非常好的例子,因为它提供了Matlab程序,该计划正好谈论频道响应和使用大规模MIMO。正如您在此示例中看到的,我们正在查看用于多用户和单用户系统的混合波束成形方案,这正是5G所需的。
预编码和数字和RF组件的分区是完成的。最后,完成了一些EVM和BER测量以表征您的系统。正如我之前告诉你的那样,你看到我们正在使用基于散射的空间频道建模。基本上,我们正在寻找一个多用户MIMO FDM系统,具有大天线阵列的波束成形和应用。
现在,如果打开脚本,您会注意到我们正在查看MATLAB。代码都在MATLAB中,所以很容易理解,所以我们使用一些参数来完成这些步骤。我们使用四个用户,每个用户分配了不同数量的流,所以您使用的是特殊的多路复用上下文。基站发射天线的数量基本上是这些流的2倍的功率,因此在本例中为24,依此类推。
我们可以使用多种调制方案,并注意我们正在模拟毫米波情况,28千兆赫兹和大量数组,在这种情况下,500.它是一个MIMO OFDM系统,所以我们必须指定OFDM参数。在这种情况下,我们正在使用256 FFD,OFDM等。因此,我们使用相位阵列系统工具箱功能,如分区阵列或统一的线性阵列以构成天线阵列。您在此通知我们如何使用频道状态信息。
对于每个用户,我们基本上是序言信号,我们正在计算,我们正在传输它,缩放它。您拥有OFDM解调工具,执行频道估计,通过SVD,我们计算频道矩阵估计。这里是我们在发射机站点上计算混合权重的地方。对于每个用户,我们使用基频和RF分割为波束成形的RF,并计算矩阵,V.并且我们通过卷积编码调制,以及看起来像诸如误码率的性能度量和EVM。
正如你所看到的,对于每一个用户,我们计算出RMS维生素与价值观,误比特率,一个数字的错误以及均衡后我们看星座为每个流用户1号,这三个流,用户2号,3号,4号。看看,对于四个用户,我们计算了不同角度的波束形成,我们使用相控阵功能来可视化。所以在MATLAB中很容易理解大量MIMO高波束形成的理论方面是如何在[听不清]中被表示为实际程序的。
还有什么需要成功的5G波束成形设计?我们需要天线阵列。您可以使用天线工具箱,您在MathWorks中拥有的最受欢迎的工具箱之一,但不仅可以设计天线元件,还可以详细设计天线阵列,并使您将耦合和所有耦合的光束可视化和分析天线数据。其他需要对您的天线传输表征所需的东西。
不仅我们在点级别完成它,我们还在映射上介绍了该RF传播可视化分析。因此,我们可以在MATLAB中,打开不同地理区域的地图,在特定位置发送器和接收器中插入,并使用天线工具箱观察INR的接收功率和所有这些其他特性。
我现在要带你们,再一次,到MATLAB应用选项卡向你们展示两个应用,天线设计器和天线阵列设计器,它能让你们交互地设计天线元素和天线阵列,它们可以用于波束形成模式。就像在MATLAB中,进入应用选项卡,强制和快速通信应用就在我们之前看到的5G发电机旁边。我想让你看看天线设计器和天线阵列设计器。
首先,看看天线设计师应用程序。我们注意到我们可以通过点击加号开始从头开始设计天线,然后您可以选择各种天线设计画廊,在这种情况下使用偶极子,但我们可以使用各种现有的天线,结构。然后,您可以指定每个天线的辐射是否是各方向的方向或全向。
我们可以指定极化和带宽以及指定工作频率。让我们看看28千兆赫频率的毫米波,你说接受。执行此操作时,每个天线都具有所有这些几何图形和负载特性。我可以用这个。并查看天线工具箱的不同分析功能。
对于这个特定的天线元素,我喜欢3D模式,它基本上是一种对称的方向方法,但你可以选择你想要的任何天线。因此,您可以将其保存并将其作为脚本导出,因此您可以将其放在模拟中。有另一个应用程序,天线阵列设计师。我们不看每个天线的设计,然后你正在看天线阵列。
所以第一个参数是数组大小。让我们只迈出一个更精致的数组,如8到8,这是64个天线元素。如您所以,请注意,该应用程序立即根据您在此处的几何阵列特征组织用于您的天线阵列。可以是矩形阵列,圆形阵列,共形阵列等。然后您指定所需的频率。在这种情况下,我放28岁,除了它。
您将看到此处为您指定了几何和所有特性,可以修改所有这些参数,应用,并查看像天线传播阵列模式等事物。在这里,看看这种特定天线阵列的3D [听不清]模式,处于28 Gigahertz的所需频率,您可以看到我们可以计算其他模式,例如远程和高程。最后,我们可以将结果导出到我们的Matlab环境。
让我们进入下一个话题,混合波束形成。那么什么是混合波束形成呢?当您认为完整的数字波束形成在功耗和耗散方面非常昂贵时,您可以考虑使用混合波束形成,即在射频前端进行射频波束形成,而不使用完整的射频链。这是模拟波束形成。数字波束形成是在另一个方向或另一个维度上完成的使用的是我之前讲过的预编码方法。
因此,将任务分为模拟或数字不是混合波束形成,这是一种非常务实和实用的巨型模拟成形方法。所以我要去一个例子并告诉你这种分解是如何完成的。因此,我们正在寻找一个系统,我们估计了到达角度和出发角度,PX和RX,我们正在使用混合结构,在其中我们将数字传输阵列与模拟相移器组合以实现混合波束形成解决方案。
例如,我们在方位角方向上使用数字波束形成,所以在那里应用了预编码矩阵。我们要在仰角做射频波束形成。您可以看到,使用这些架构,我们可以以多用户MIMO格式访问多个终端。如果你使用信道探测仔细观察,我们计算V矩阵并将不同的流乘以这些数字速率。
但是如果查看RF波束成形结构的模拟,则会看到我们使用相移器。角度来自我们在不同方向上计算的权重统计数据。该架构使您可以添加特性 - 热噪声,相位噪声,图像抑制等。它为您的设计创造了一种非常现实的混合波束形成方法。
最后,我们将在我们的发射机中使用5G。在您之前所见时生成那些波形。您被要求用作发射器信号,我们将在我们的接收器中使用5G以进行测量和估计。
让我们在最后阶段看看,RF前端的设计。因此,经过数字波束成形的元素,它们要求您具有与这些天线点相关联的RF链。您如何设计采用基带信号并将其带到RF的RF链,然后在它们通过空中传输之前,它们受到波束成形。
我们可以在MATLAB环境中使用另一个应用程序,称为RF Budget Analyzer应用程序。此应用程序是RF工具箱的一部分。允许执行功率、噪声、IP3和所有其他射频分析和计算。它帮助您设计出由滤波器、低噪声放大器、混频器和功率放大器组成的射频处理链,这些基本上需要将信号传输到射频并通过天线进行传输。
现在,当您打开射频预算分析器应用程序时,您将看到添加各种射频链组件并将它们级联在一起是多么容易。看看总体增益,[听不清],所有的特性都需要预算分析和计算接收功率。
设计任何射频元件的一个有趣和重要的部分是功率放大器或PA特性,以及数字预失真合法化。在信号的DBM的大输入范围内,特别是当带宽大幅度增加时,如果功率放大器不能是线性的,性能将受到严重影响。所以你需要做的是提出闭环行为模拟和闭环设计,使功率放大器在工作范围和频率上线性化,以使传输成功。
现在,您可以使用我们的RF工具箱和RF[听不见]功能,使用DPD设计进行PA建模工作流。在总结的最后,我将向你们介绍我的朋友们关于这一点的完整介绍。但本质上,要点是你可以从你的PA获得IQ时域宽带测量数据。使用我们的MATLAB多项式拟合功能,你可以用多项式拟合数据,正如你在底部看到的那样。使用它,你可以用这些多项式的倒数进行预失真,基本上实现线性化。
总而言之,我们可以通过探索mathworks.com中的示例,了解更多关于混合波束形成及其在5G设计中的适用性。刚刚访问了mathworks.com,查找我们为您提供的四种更详细的演示和参考设计示例,介绍混合波束形成,使用QSHB和HBPS算法的混合MIMO波束形成,大规模MIMO混合波束形成,以及使用混合波束形成的射频毫米波发射机建模。
它们都可以在MathWorks.com/so抑制/无线通信的无线通信解决方案页面上找到。如果您想了解有关5G的更多信息,您可以查看我的产品页面MathWorks.com/Products/5G,并观看我的5G工具箱视频以及了解所有约5G技术以及它如何与LT和所有下载188bet金宝搏组件不同通过观看一系列5G解释的视频来学习5G [听不清]系统,每个人都大约10分钟,其中有11个由我的朋友制作,标记bers。您可以了解这些视频系列中5G技术的不同特征。
综上所述,利用MATLAB和Simulink,可以在单一环境下金宝app设计天线、射频和信号处理系统;可以生成5G NR波形并进行接收操作;设计了包含复杂工作结构的MIMO相控阵;将波束形成设计智能地分割成混合结构;使用射频和基带域,建模MIMO信道和无线通信系统;探索架构的选择和权衡。再次感谢你。
您还可以从以下列表中选择网站:
选择中国网站(中文或英文)以获得最佳网站性能。其他MathWorks国家站点没有针对您所在位置的访问进行优化。