Houman Zarrinkoub, MathWorks
在可用于开发5G系统的MIMO技术中,5G波束形成已成为一种可扩展且经济的选择。5G波束形成将射频和数字领域的设计分离开来。
在本次网络研讨会中,我们将讨论端到端的5G混合波束形成设计工作流。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。
让我们看一下这次演示的议程。在做了一些介绍性的介绍之后,我将介绍与5G波束形成相关的五个不同部分。第一部分是关于5G波形的生成。第二个主题是关于信道建模和预编码的。当你在处理波束形成场景时,你必须意识到信道对传播环境的影响,你还必须设计预编码器来专门指导你的传输。
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,为了提高性能,您必须设计射频前端,为此,我们在MathWorks中提供了工具,可以帮助您描述功率放大器的特性,并设计与射频传输链相关的dpd和其他元素。最后,我将提供一些总结。
让我们来谈谈5G的实现技术。如您所知,5G有多个用例,其中最熟悉的用例之一是5G增强的移动宽带。这就是正在走向5G的网络目前面临的挑战,我们如何大幅提高移动通信的吞吐量和数据速率[?]定义。?]
因此,我可能认为已经提出的解决方案如下。你可以通金宝搏官方网站过使用你的信号来增加带宽,一个更大的带宽。您可以从本质上提高吞吐量。你也可以从给定的赫兹带宽中挤出更多。这就是所谓的更好的频谱效率,每赫兹每秒能使用多少比特数。
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。同时,你也可以使用小单元,这样你就可以使用MIMO技术来获得更好的接收功率和性能。
另一种方法是使用更高的频带。这是5G将展示的主要主题之一。在4G和类似的通信系统出现之前,我们不是在典型的低于6千兆赫的频率上工作,而是在[?赫兹,还是毫米。有了它,你就有了一大片可用的波段,你基本上可以达到你想要的高吞吐量。
所有这些都不是没有挑战的。当你决定使用毫米波或更高频率时,简单的语调就成了一个问题。当系统带宽非常宽时,频率选择性衰落就成为一个现实问题。为了对抗频率选择性衰落的影响,你必须认真研究多载波系统,如OSTM、OSTMA和信道估计均衡。同时,你需要分散丰富的传播环境来使它可行或者如果你有可能的系统。然后你必须不断更新你的渠道特征和模式。
如何把它们组合在一起。你使用的是高载波频率,更大的带宽和大的天线阵列。这是一种适用于5G的方法,尤其是在毫米波上。这被称为大规模MIMO。而大规模的MIMO本质上意味着你使用的是非常大的天线射线大约是64- 64 128 256,等等。记住,如果你在做所有的数字波束形成是这些大的天线阵列,在每个传输信号的天线后面,有一个射频模拟链,宽带链,这需要很大的功率和复杂性。
因此,为了减轻这些大规模MIMO系统的功耗和耗散问题,混合结构被提出以达到最佳的折衷。正如你所看到的,未来的大规模MIMO技术有一个变送器,它可以缩小波束,以每个单独的接收器为目标,这是在多用户MIMO场景中。这需要很大的天线阵列来实现狭窄的波束。
我们不再有那种向各个方向的各向同性传输。我们在做重点传播。为了实现这一点,你需要协调你的预编码和波束形成与射频链,这样你可以定制设计传输到不同的用户在不同的窄波束角度。那么,这种混合波束形成5G架构的工作流程是什么呢?
你需要生成一个波形。这些波形基本上决定了你使用多少带宽,5G有很多灵活性,我跟你们说过。你必须设计天线和天线阵列,使你能够实现那些参与多用户MIMO过程的窄波束,大规模的MIMO结构。你必须有一个有代表性的信道模型它包含了大量的散射以便对到达角,出发角,发射机和接收机的位置进行基本的估计。
所有这些可能。基于此,如果要在不同的天线端口上使用特殊复用并在不同的天线端口发送多个流,则必须计算预编码矩阵,这是数字波束成形要求。乘法的数字预编码矩阵[?重量?]到数字波束成形架构,以便以数字方式转向您想要的方向。如果您正在进行混合波束成形,则必须考虑模拟波束成形部分,使用相移器的那些元素,以便在不使用所有RF链中以另一个方向转向模拟上下文的基本上转向。
完成后,您必须考虑RF前端,放大器,过滤器等的影响,并确保在乐队兴趣中,放大是线性的,否则,您遭受了很多.因此,所有这些考虑因素都是呼叫系统级设计考虑因素而发挥作用以产生成功的5G混合波束形成架构。
让我们来谈谈第一个元素,5G波形生成。2018年5G标准化。在MathWorks中,我们引入了我们的5G工具箱,我们的MathWorks产品允许您在同一年2018年对5G系统进行建模、模拟和测试。而5G技术的特征之一是它基于OFDM,然而,与4G不同的是,当子载波间隔或频率分辨率恒定时,在5G中,分辨率频率的子载波间隔是可变的。
所以两个子载波之间的频率差可以是15千赫兹或者是15千赫兹的倍数或者是2 30 60 120的次方,等等。现在,我们在时间和频率之间有对偶性,这意味着如果子载波间隔或其他东西很短,时间持续时间就很长。所以对于15千赫兹,1毫秒的时隙,随着子载波间距的增加,时隙的大小会减小。
但你知道,当我们使用多个子载波间隔时,我们立刻就能获得更高的带宽。所以如果你通过一个15千赫兹的子载波发送相同的信息,你就在50兆赫,如果你喜欢,带宽。但是通过加倍子载波间隔,你实际上占据了,100兆赫。这些考虑表明了5G在时频分辨率方面的灵活性。为了测试和验证你的5G和5G波束形成设计,你必须生成这些波形。
正如我所提到的,5G工具箱支持上行链路和下行链路5G波金宝app发电。如您所见,我们有波形和5G工具盒,本质上允许您具有面向各种子载波的混合数值,信号和波形,多个带宽零件,每个带宽部分,与不同的用户或欧盟相关联,多个物理下行链路或物理上行链路共享通道。它们都完全可参数化,允许同步信号和突发,SS突发,需要在5G中同步所有内容。
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。
基带的波形IQ样本,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环境中通过无线传输它们。让我们去MATLAB。看看这个被称为无线波形发生器的应用程序,它使5G波形生成过程非常简单。
在MATLAB中,版本发布2020A,我们可以去应用程序选项卡,并寻找无线波形生成器应用程序。现在,这个应用程序使您可以生成各种波形,而无需编写一行MATLAB代码。如您所见,这里提供多种基于标准的波形,5G和R, DLT或4G,无线局域网或Wi-Fi,不同的口味,以及低能耗蓝牙。
现在,我们专注于5G波形生成。注意,你可以生成上行或下行固定参考信道,或者我们可以在RTM中使用新的无线电测试模型。在本例中,我们将选择一个RTM。我们有多种选择,频率范围FR1,低于6千兆赫频率或FR2D,[听不清],选择FR1,和多种标准测试模型,在这里可用。每一种都代表不同的调制方案和带宽的使用。
我们将选择64 QAM全频带,看起来像TM3.1。就信道带宽而言,你可以想象,我们有多种带宽的可能性。我们可以选择10兆赫的带宽。子载波间距可以是15、30和60。我们要选择30千赫兹选择双工模式,FTP。当然,如果需要,我们也可以做过滤。
只需通过设置参数并单击“生成”按钮,您可以看到我们可以生成相应的5G和R波形。正如您所看到的,带宽是10 MegaHertz,您可以看到我们具有通道边缘和保护带和传输带宽的频道视图。我们在资源网格中具有各种元素的表示。
注意,你可以去可视化,并添加其他元素到你的信号,包括时间范围,以查看智商样本。你也可以去损伤区给你的信号添加各种损伤。这是您实际建模传输或接收的时候。在软件中进行模拟,你可以添加各种损伤,就像你在这里看到的。
最后,您可以将信号导出到工作区或文件,以用于进一步处理。好的,让我们来看看第二个话题,信道建模和预编码。现在,5G标准,与5G标准一起发布的第一件东西是5G信道模型。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建模,还有延迟剖面、TDL和CDL剖面以及脉冲响应和多普勒频移下的延迟扩展。我们还提供了天线阵列几何规格,使您能够了解波束形式信号在空中传输的时间、散射的影响以及基于我们在散射位置看到的簇的所有其他信道建模。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。
在MathWorks的其他工具中,我们有通信工具箱,我们的基础产品,以及相控阵系统工具箱,它们在传播通道方面提供了更多的支持。金宝app我们有自由空间路径损失,它可以用于大的距离或衰减由于大气气体和雾和云。MIMO多径衰落信道。我们有赢家II衰落信道模型和散射MIMO信道,这允许您指定的位置如果你知道发射器,接收器的位置和散射的位置,你能做的一切在MATLAB和找出实际的接收功率信号到达接收机的传播通道模型。
让我们来看看MIMO OFDM数据流,这是LTE和5G等类似技术的基础。所以当你想要做波束形成或特殊的多路复用,特别是MIMO信号处理或OFDM信号,这个过程基本上是分两个阶段完成的。你必须做信道探测来理解信道的脉冲响应或频率响应。
你发个序言来传递信号。它通过MIMO或者传播环境。它由OFDM的接收机接收。信号处理是做OFDM解调,然后做MIMO信道估计。在每个子载波上,你基本上,你计算一个信道矩阵。提供与D发送端口到接收端口相关的每个子载波的增益矩阵。
对于使用SVD的每个矩阵,它可以是对角化的,您可以找到可以对角度化系统的预编码矩阵,这意味着如果使用那些预编码矩阵,则在这种情况下,您可以在方向上以数字方式转向传输这使您的接收器能够最大限度地保留。所以这就是频道发出的声音。
在下一步,你基本上通过波形生成,然后从探测环境,你使用预编码矩阵计算,你组成你的OFTM发射单预编码。然后MIMO信道出现了。它们接收到波束转向,然后OFDM就发生了。再一次,通过信道估计和均衡,你实际上重新计算预编码矩阵,要么传输,要么使用它来恢复数据库。这就是5G系统中使用的MIMO OFDM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。
回到MATLAB环境中,我想从输入文档开始。在文档中,寻找大量的MIMO。这就是我今天要给你们看的例子。它被称为大规模MIMO混合波束形成。这是一个很好的例子,因为它提供了MATLAB程序,准确地讨论了信道探测和大规模MIMO的使用。正如你在这个例子中所看到的,我们正在研究多用户和单用户系统的混合波束形成场景,这正是5G所需要的。
完成了预编码、数字和射频分量的划分。最后,完成了一些EVM和BER测量来描述您的系统。正如我之前所说,我们使用的是基于散射的空间信道建模。本质上,我们看到的是一个多用户MIMO FDM系统与波束形成和应用的大天线阵列。
现在,如果您打开脚本,您将注意到我们正在查看Matlab。代码全部位于Matlab中,因此很容易理解,所以我们正在使用一些参数来完成步骤。我们正在使用四个用户,每个用户都被分配了不同数量的流,因此您使用的是特殊的多路复用上下文。并且基站传输天线的数量基本上是那些流的2个倍数的功率,因此在这种情况下,24等等。
我们可以使用多种调制方案,注意到我们在模拟毫米波的情况,28千兆赫,和大量的阵列,在这里是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,我们使用的是256 FFD, OFDM等等。因此,我们使用相控阵系统工具箱功能,如分区阵或均匀线性阵组成天线阵。注意到我们是如何使用信道状态信息的。
对于每个用户,我们本质上是在计算序言信号,然后我们在传输它,缩放它。你有OFDM解调工具,执行信道估计,通过SVD,我们计算信道矩阵估计。这就是我们计算发射点混合权重的地方。对于每个用户,我们在多用户意义上划分基带和射频,这是波束形成,并计算矩阵v。我们通过卷积编码调制和所有看起来像性能指标,如误码率和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。
成功的5G波束形成设计还需要什么?我们需要天线阵列。您可以使用天线工具箱,最受欢迎的在MathWorks工具箱,但使它不仅设计天线元素,而且天线阵列允许您可视化和分析天线的详细数据,光束耦合和所有其他的东西都需要你的天线传输的特点。
我们不仅在点层面上做了,我们还引入了这个射频传播可视化分析。因此,我们可以在MATLAB中,打开不同地理区域的地图,在一个特定的位置插入发射机和接收器,并使用天线工具箱观察接收功率为INR等所有这些特性。
现在,我将再次带您进入MATLAB应用程序选项卡,向您展示两个应用程序,即天线设计器和天线阵列设计器,它使您能够交互设计可用于波束形成模式的天线单元和天线阵列。就像在MATLAB中一样,进入应用程序选项卡,应用程序和快速通信应用程序位于我们之前看到的5G发生器旁边。我想让你们看看天线设计师和天线阵列设计师。
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按钮从头开始设计天线,然后你可以从各种天线设计图库中选择,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。然后你可以指定每个天线的辐射是方向性的还是全方位的。
我们可以指定极化和带宽,并指定工作频率。让我们看看28千兆赫兹频率毫米波,你说接受。当您这样做时,每个天线都具有所有这些几何和负载属性。可以应用。并查看天线工具箱的不同分析功能。
对于这个特殊的天线元素,我喜欢3D模式,它显示了,本质上,一个对称的方向方法,但你可以选择任何你想要的天线。你可以保存这个,然后导出为脚本,你可以把它放到你的模拟中。还有另一个应用,天线阵列设计器。我们看的不是每个天线的设计,而是天线阵列。
第一个参数是数组大小。我们来看一个更精细的8 × 8的阵列,这是64个天线单元。当你这样做时,注意到应用程序会立即根据几何阵列特征为你组织天线阵列。可以是矩形阵列、圆形阵列、共形阵列等。然后你指定你想要的频率。在这个例子中,我写了28,然后把它去掉。
你会看到这里的几何形状和所有的特征都是为你指定的,可以修改所有这些参数,应用,并查看像天线传播阵列模式这样的东西。在这里,看这个特殊天线阵列的3D[听不清]模式,在期望的28千兆赫频率,你会看到我们可以计算其他模式,如远程和仰角。最后,我们可以导出结果到我们的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,将任务划分为模拟或数字并不是一种混合波束形成,而是一种非常实用的大规模MIMO波束形成方法。我将通过一个例子向你们展示这个分解是如何进行的。因此,我们正在研究一个系统,我们已经估计了到达和离开的角度,PX和RX,我们正在使用一个混合结构,我们将数字发射阵列和模拟移相器相结合,以实现一个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。
但是如果你看一下射频波束形成结构的模拟,你会发现我们在使用移相器。角度是由我们在不同方向上计算的重量统计得出的。这种架构使您能够添加特性——热噪声、相位噪声、图像抑制等。它为你的设计创造了一个非常现实的混合波束形成方法。
最后,我们将在发射器中使用5G。这些波形是你们之前看到的。你被要求作为发送信号,我们将在接收器中使用5G,以进行测量和估计。
让我们来看下一个最后阶段,射频前端的设计。所以进行数字波束形成的元件,需要你有一个射频链与每个天线点相关联。你如何设计射频链来接收基带信号并将其传输到射频,然后在它们通过空中传输之前进行波束形成。
我们可以在我们的Matlab环境中使用其他应用程序,称为RF预算分析仪应用程序。此应用程序是RF Toolbox的一部分。允许实现电源,噪声,IP3和所有其他RF分析和计算。它可以帮助您提出由滤波器,低噪声放大器,混频器和功率放大器组成的RF处理链,该链条需要基本上将信号置于RF并在天线上传输。
现在,当您打开RF Budget Analyzer应用程序时,您将看到添加各种RF链组件并将它们级联在一起是多么容易。看看总体收益,[听不见],所有需要进行预算分析和计算接收功率的特征。
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DPD设计使用我们的RF Toolbox和RF [OnaUtble]功能。我将在摘要结束时,我将在我的朋友那里将你完整的演讲。但本质上,GIST是您可以从您的PA获取IQ时域宽带测量数据。并使用我们的MATLAB多项式拟合功能,您实际上可以使用多项式将数据适合您在底部看到的。并使用此,您可以用这些多项式的逆扭曲,并基本上实现线性化。
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。
它们都可以在我们的无线通信解决方案页面mathworks.com/so lution/wirelesscommunication上找到。如果你想了解更多关于5克,你可以看看我的产品页面,mathworks.com/products/5G,看我5 g工具箱视频学习所有关于5 g技术以及它是如何不同于LT和5 g下载188bet金宝搏的所有组件(听不清)系统通过学习观看一系列5克解释说视频,他们每个人大约10分钟,其中有11个是我的朋友马克·伯斯制作的。你可以在这些视频系列中了解5G技术的不同特点。
总之,使用MATLAB和Simulink,您可以在单个环境中设金宝app计天线、射频和信号处理系统;我们可以生成5G NR波形并执行接收器操作;包括复杂操作结构的MIMO相控阵设计;智能地将波束形成设计划分为混合结构;并使用射频和基带域,对MIMO信道和无线通信系统进行建模;并探索架构选择和权衡。再次感谢你。
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