介绍

本文演示了如何使用MATLAB^®和Sim金宝appulink^®功能和工具箱到：

1. 设计和合成复合天线元件和MIMO相控阵和子阵列
2. 分区的混合波束形成系统智能地RF和数字域
3. 验证的空间信号处理算法的概念
4. 验证链路层采用高保真模拟设计
5. 评估失败或不完美的元素和子阵的影响
6. 消除硬件建设之前的设计问题

的MATLAB和Simulink产品为这个应用程序的基本目标是提供金宝app扩大模型对项目发展下载188bet金宝搏的许多阶段的保真水平的直接路径。这包括任务，例如将测量的数据到模型中用于天线图案和传播路径。它还包括通过与Simulink的多域仿真的背景下带来的RF组件的模型拓展RF链的保真水平。金宝app

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™，RF模块库，RF工具箱™，通讯工具箱™和全局优化工具箱来完成相关的工作流程。

挑战设计大规模MIMO阵列为5G

由于5G标准的不断发展，对更高数据速率的目标，更低延迟的网络接入，更节能的实现是清楚的。更高的数据速率推动需要更大的带宽系统。在通过6 GHz的光谱向上的可用带宽不足以满足这些要求。这已经移动目标工作频带向上进入毫米波范围用于下一代无线通信系统。

波束成形智能阵列设计

在这些较高的频带更小的波长使具有小的形状因素内每个系统更多个天线元件的实施方式。用在这些频率也增加了操作相关联的信号路径和传播的挑战。例如，衰减由于对于60 GHz的波形气体吸收超过10分贝/公里，而一个700兆赫波形经历0.01分贝/千米的量级上的衰减。可以抵消这些损耗与智能阵列设计和使用空间信号处理技术，包括波束形成。这种类型的处理是由大量的MIMO阵列启用，并且可以直接使用，以提供更高的链路级增益以克服路径损耗和不期望的干扰源。

为了达到最大的控制和灵活性，在有源阵列设计波束形成，理想的是具有在每个天线阵列元件独立加权控制。这需要一个发射/接收（T / R）专用于每个元件模块。对于阵列的大小是典型大规模MIMO通信系统的，这种类型的结构是困难的构建由于成本，空间和功率限制。例如，具有高性能的ADC和DAC，用于每个信道（与支撑组件）能够驱动成本和功率超出分配设计预算。金宝app类似地，在RF链的每个信道具有可变增益放大器增加了系统成本。

混合波束形成

混合波束成形是可用来分区的波束形成的数字和RF域之间的技术。系统设计工程师可以实现混合波束成形，以平衡的灵活性和成本的权衡，同时还派出满足所要求的性能参数的系统。混合波束形成的设计是通过组合多个阵列元件成子阵列模块开发的。发射/接收（T / R）模块是专用于所述阵列中的子阵列，并且因此较少的T /在系统中所需的R模块。元件的数目，和每个子阵列内的定位，可以被选择以确保系统级性能是在一系列的转向角的满足。

使用所述发射信号链作为我们的第一示例中，子阵列内的每个元件可以具有的相移在RF域直接施加，而可以对馈送每个子阵列的信号被应用于基于复加权矢量数字波束形成技术。数字波束成形允许幅度和相位上，在子阵列级别聚合的信号的信号的控制。出于成本和复杂性的原因，RF控制通常限于施加的相移的每个元件。

如在图1所示的一个系统是复杂的开发。您可以使用建模技术来设计和评估大规模MIMO阵列和相应的射频和需要帮助的数字架构管理的复杂性。有了这些技术，可以减少风险，并验证设计在项目的最初阶段接近。我们首先来看一个阵列设计实例。

我们选择参数的每一个是在5G无线社区常见的例子，但所有的所示的例子可以被修改，以符合您需要的配置。

设计的阵列

有许多因素在设计阵列时需要考虑的。典型的阵列设计包括参数，诸如阵列的几何形状，元件间隔，元件的晶格结构，以及元件逐渐变细。此外，相互耦合的影响是很重要的特点是实现最终设计之前。一旦阵列设计的初始配置后，体系结构划分可以被迭代针对整个系统的性能目标评价。

与毫米波系统中，阵列的面积正比于波长尺寸减小。作为示例，天线阵列在毫米设计波频率可高达比设计成在微波频率下操作的阵列小100倍。通过建立与天线元件的更大数量的阵列，就可以实现高的波束成形增益。高度定向波束有助于抵消在操作的较高频率的增加的路径损耗，因为波束被转向到一个特定的方向。

要启动阵列设计过程中，所述传感器阵列分析仪应用程序，这是可用的相控阵系统工具箱，可以从MATLAB提示启动：

>> sensorArrayAnalyzer

可以编辑上的应用程序的左侧在图2中所示的参数包括阵列大小，阵列的几何形状，元件间隔，并且逐渐变细的阵列设置窗口直接定义阵列中的所有设计参数。

从应用程序，你可以轻松地可视化生成的几何，2D和3D的方向性，并且栅瓣图。

为了实现在方位角和仰角转向，可以设计一个均匀间隔的平面阵列。图3示出被设计传感器阵列分析仪应用程序内的64×64均匀的矩形阵列的例子。的大量元素提供指向性较高的水平。下面也示出的设计具有锥形施加到行和所述阵列的列以降低旁瓣电平。如同所有的设计选择的情况下，具有较窄的光束实现较大的天线增益必须的事实，MIMO系统是基于散射也依赖于更广泛的波束图案以最大化信道容量的环境中进行平衡。这种权衡也可以在交互式设计过程评估。

与所述元件之间的半波长的间距，没有栅瓣存在在整个范围的转向方向的按预期显示的图像在图3所示的右侧。了解这里的影响，因为它可能需要增加元件之间的间距，以减少相互耦合的影响是很重要的。这是一个重要的设计考虑因素，需要加以考虑。幸运的是，在更高的频率，其中半波长间距小，开始时，由波长的10％的增加元件分离仅需要在66千兆赫的小于0.5mm的变化。图4示出了必须使用光栅波瓣图与所述元件之间的间距增加10％，被认为是折衷。对于这个例子，栅瓣仅出现与方位角和仰角外+/- 54.9度。这可以折衷靠在阵列元件（以及更多的互耦合效应）之间的空间较小。

当设计阵列的过程完成后，就可以从该应用中，并直接在模型或作为用于进一步定制的起点或者使用产生MATLAB代码，如图5。

扩大示范富达：天线和RF

在前面的例子中，一个理想的天线元件被用于将阵列图案建模。有多种元素的理想选择，可开始使用，包括全向和余弦元素。在下面的例子中所使用的元件不再理想，并基于设计的66千兆赫的共振贴片天线。查看完整的MATLAB例子对于这种类型的天线元件设计的。

我们摘录了一些关键代码部分，以展示如何天线可以在天线工具箱快速设计。我们使用补丁微带元件，在66千兆赫在我们的例子中谐振。将所得的图案也在图7如下所示。

我们开始用天线工具箱库贴片元件和直接修改音色参数在66 GHz的工作。该代码示例和补丁结构（图6中示出）如下所示。

P = patchMicrostrip;p.Length = 0.49 *波长;p.Width = 1.5 * 0.49 *波长;p.Height = 0.01 *波长;p.GroundPlaneLength =拉姆达;p.GroundPlaneWidth =拉姆达;

我们产生贴片元件在自由空间中使用全波电磁解算器天线工具箱，其中F0 = 66e9模式：

P 450分离=图案（P，F0）;图图案（P，F0）;

请注意，我们直接在上面的代码修改的贴片元件的参数，但也有在天线工具箱专门的功能，你可以用它来生成的参数直接任意库元素和频率组合。在本例中是：

P =设计（patchMicrostrip，66e9）

接下来，我们建立了一个均匀线性阵列（ULA），其作为在该示例中的子阵列。然后，我们创建一个基于多个子阵列集合的全阵列。从上面所示的代码中，我们生成的图案，P_isolated，对于在子阵列的每个元素。P_isolated被定义为在一定范围的方位角和仰角的图案。

我们的模型的8X1元件统一线性阵列，其中每个元件具有从贴片元件的图案的响应。然后八个子阵列被复制以形成使用如下所示的MATLAB代码的8×8阵列。注意，对于在每个子阵列中的元素的锥度可以直接在子阵列内来施加。汉明重量被添加到降低旁瓣中所产生的图案的水平。

用于相控阵列.ULA定制天线元件的%%定义patchElement = phased.CustomAntennaElement;patchElement.AzimuthAngles =（-180：5：180）;patchElement.ElevationAngles =（-90：5：90）;patchElement.RadiationPattern = P _隔离;％使用分离元件的图案叠加相控阵列设计numElementsA = 8;在每个子阵列％数量的天线元件numElementsS = 8;在阵列中的子阵列的数目％％子阵列设计（补丁垂直堆叠）苏拉= phased.ULA（'包含numElements'，numElementsA，...'元件'，patchElement，...'ElementSpacing'，拉姆达/间距，...'ArrayAxis'，'Z'，“圆锥”，汉明（8））;％阵列设计（子阵列水平地堆叠）光环= phased.ReplicatedSubarray（“子阵”苏拉，...'GridSize'，[1 numElementsS]，...'SubarraySteering'， '相'，...'PhaseShifterFrequency'，F0，...'GridSpacing'，拉姆达/间距）;

相控阵系统工具箱可以很容易地通过复制使用phased.ReplicatedSubarray System对象子阵列建大阵列，如图上面的代码。将所得的阵列结构可以如下，其中每个子阵列（8个元件X 1级的子阵列）的左侧图8.全阵列（子阵列1在8列复制）的所示，在右边示出可视化。

全阵列如图9中所示。

从混合波束形成的角度来看，可以传递每个通过移相器驱动所述8X1阵列内的元件用于转向在仰角平面上的信号。我们展示如何能在以下部分RF域进行建模。此外，每个的饲料的八个子阵列的信号的可以通过数字波束形成技术来控制以操纵在方位角方向上的光束。

此阵列配置，其中已经使用叠加计算所得的波束图案，示出了在图10中随着RF和数字波束成形的这种组合，可以在方位角方向上的转向角达到更细的粒度。图11提供了与矩的叠加方法计算出的子阵列图案的比较。

在这个例子中，我们先从我们的体系结构的用于与相移发送链（在RF域中应用）和复权重（在数字域中施加）的分区。对于基本的分析，你就可以使用MATLAB和相控阵系统工具箱中的权重，如下面的代码。

用作DIGITA的一部分％复数权重;基带预编码WT _数= steervec（SUBPOS，[tp.steeringAngle; 0]）;％模拟相移值作为RF预编码的一部分WT _模拟= EXP（LI *角（steervec（subelempos，[tp.steeringAngle; 0]）））;%%％从系统的角度来看，混合波束形成的效果能够％通过混合权重，如下所示来表示。WT _混合= KRON（WT _数，WT _类似物）;

与建立早期阵列的设计参数，数字权重和在MATLAB代码以上可使用在Simulink的架构模型被应用于生成的RF相位偏移，那么它可以是一个多域系统仿真（的一部分组合成如图12所示金宝app）。

在该框图中，可以看到的是，相移作为输入到每个子阵列，然后将其施加于RF信号的提供。数字波束成形权重被用来塑造进给各子阵列的信号。

RF模块组的Simulink的范围内使用（该电路包络让金宝app你实现快速仿真注）进行电路仿真信封。RF模块库包含RF组件，诸如放大器，混频器，滤波器，耦合器分离器，和其它典型的部件，可以使用创建一个RF链的文库。这样做是为了提高模型的逼真度的水平。

图13提供了一个详细的视图成从图13中所示图12中的RF移相器的单个RF阵列块在仰角平面执行波束形成，而基带权重提供在方位角平面中的波束形成。你可以从供应商的数据表中所采取的参数来配置每个块。功率放大器和调制器块在图14中示出和图15来说明这种能力。

一种替代的方法来创建模型中的RF链包括使用所述RF预算分析仪，它是RF工具箱（图16中示出）的一部分。在这里，你可以在应用程序，包括S参数，混频器，放大器和滤波器代表的设备直接建立你的RF链。这个应用程序提供一个直观的界面，直接建立你的链路预算。你可以得到的级联直接使用导出到系统模型出口选项在工具条。

值得注意的是，在我们的例子中，最后的块还包括所述阵列的详细模型如前所述。的图案（表示为P_antenna）包括相互耦合的影响，并在阵列作为定制天线中直接使用。P_antenna被定义为跨越方位角和仰角辐射图案。需要注意的是从实际的测量元件的图案也可以被输入到模型中以同样的方式。

此外，一个8元件ULA的阵列参数也包括在该相同的块，如图17。

结合优化技术提高光束模式

到目前为止，我们一直专注于建立一个具体的配置以及数字和射频子系统之间分配。我们可以继续建设我们的系统链路级机型，看看性能为导向权变化如何变化，以及频率如何影响性能。

这可以是一个手动密集的过程，如果有大量的元件和操作的宽频带。

可替代地，我们可以利用从优化工具箱™和全局优化工具箱优化技术来迭代地理解如何阵列元件间距和元件锥形可以被调谐以实现用于混合波束形成系统所期望的性能。

图18说明了这是如何实现的。例如，可以尝试到一个特定的波束图案匹配或可能要驱动的波束图案的属性在特定方向（例如，较低的旁瓣，更窄的波束宽度）。

全局优化工具箱提供了可当有许多局部最优解（或当功能不顺畅）使用求解。金宝搏官方网站在我们的例子中，我们希望得到在一组转向角和频率，转化为需要多个最优解的最佳性能。金宝搏官方网站

对于输出的限制，例如重量和元素位置，可以设置作为优化的一部分。这可以包括结合的每子阵列的元件，其中所述元件位于所述子阵列的数目的参数。它也可以包括占分阶段转变量化的效果。您可以使用此一般能力，以确保设计来优化出来实际上是可建。

一旦阵列被设置，就可以判断在整个方位角和仰角两者波束图案。然后，您可以直接使用这些数据来提取与模式相关的关键指标。这个例子集中在主瓣，旁瓣和波束宽度，但许多其他参数可以考虑。

看到代码的详细实例。

使用生命周期分析和校准框架发展模式

审查的方式来评估链路级性能之前，有趣的是，你可以使用该模型来支持多种特殊的“假设”，涉及到更详细的设计折衷和生命周期规划分析练习。金宝app例如，在地方所产生的建模框架，你可以找到阵列变薄最好的实现。您可以评估在阵列中失败元素的相对影响。这是用于确定维护周期重要。对于未配备24/7的阵列，多个故障可以被访问的位点之前被容忍，失败被修复。在图19示出的波束方向图与所述元素的15％的波束图案的降级失败。

您可以在子阵级进行类似的分析也是如此。一个例子示于图20，其中该阵列由6×6子阵列建立。将得到的波束图案中还示出与处于故障状态的36子阵列10。同样，你可以使用这种类型的数据，以确定有多少子阵应予执行。它也可以以类似于前面描述的维护概念的方式使用。

评估链路级性能

一旦阵列，子阵列和波束成形设计完成，您就可以实现阵列和子阵列周围一个更大的系统。您可以设置场景和信号处理算法，包括波束形成和DOA整合。有多种方法以可视化的链路级性能，包括在图21所示的星座图。这个例子演示了如何可以完成此。

多波束混合系统架构

该模型可以扩展到支持多用户波束成形系统。金宝app可以使用上述的基带波束形成块以创建多个波束从阵列覆盖多个用户同时，如图22所示。也可以使用这个波束成形以考虑发射器和期望的用户位置之间的路径的变化。

你可以结合所产生的信号来执行RF波束赋形和服务于不同的用户在从基站特定距离的扇区。

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