Johdanto: Synkronointi- ja kalibrointiongelman laajuus massiivisessa MIMOssa

Monipanoinen monitehoinen tuotanto (MIMO) -teknologia on kehittynyt pienimuotoisista järjestelmistä, jotka tukevat muutamia antenneja, ja jotka ovat erittäin suuria satoja tai jopa tuhansia elementtejä. Nämä suuret MIMO-järjestelmät ovat 5G:n uuden radion perusta ja niiden odotetaan olevan vieläkin merkittävämpiä 6G-järjestelmissä. Lupaus massiivisesta MIMO. Suurempi spektrinen tehokkuus, parempi säteenmuodostusvoitto ja parempi tilamoninottaminen. Riippuu kriittisesti kahdesta tiukasti kytketystä ennakkoedellytyksestä: tarkka synkronointi ja tarkka kalibrointi kaikkien antennielementtien välillä. Koska matriisikokoasteikko, vaikeus ylläpitää vaiheiden yhtenäisyyttä, ajoitusta ja yhdenmukaista elementtien vastetta kasvaa epälineaarisesti. Tässä artikkelissa tarkastellaan tärkeimpien synkronointi- ja kalibrointihaasteiden määrää suurissa MIMO-järjestelmissä, taustalla olevia syitä ja teknisiä strategioita, joita kehitetään niiden voittamiseksi.

Synkronointi suurissa MIMO Arrays: Miksi se merkitsee

Synkronointi massiivisessa MIMO-kontekstissa viittaa sekä ajoituksen että kantoaaltojen yhtymävaiheen yhdenmukaistamiseen kaikissa siirtoketjuissa. Ilman tätä linjausta säteenmuodostelma muuttuu epäjohdonmukaiseksi, mikä johtaa pienempään matriisien hyötyosuuteen, käyttäjien välisten häiriöiden lisääntymiseen ja huonontuneeseen läpimenoon. Aikajako- duplex-järjestelmissä (TDD) kanavavastavuoroisuuden oletetaan olevan kanavalla vain silloin, kun molempien osapuolten laitteistoketjut synkronoidaan ja kalibroidaan oikein.

Ajoitus synkronointi

Ajoitusvirheet suurissa järjestelmissä aiheuttavat symbolin virheellistä linjausta, joka ortogonaalisessa taajuus-jako- multipleksing (OMDM) -järjestelmissä johtaa operaattorien väliseen häiriöön (ICI) ja symbolien väliseen häiriöön (ISI). Haaste kasvaa matriisikoon myötä, koska referenssikellojakeluverkon on annettava vakaa, matalajitter-signaali jokaiselle radiopäälle. Pitkät jakelureitit tuovat viivevaihtelua ja lämpösiirtymää. Jakautuneissa MIMO-arkkitehtuurissa . Ongelma on vieläkin vakavampi, mikä edellyttää tiukkaa yli-ilma-aika- (OTA) -aika-taajuuden synkronointia. Standardit kuten IEEE 1588 (Precision Time Protocol) ja 3GPP-määritelty synkronointimenetelmät auttavat, mutta niiden suorituskykyä rajoittaa verkon symmetrinen ja etenemisviiveen arviointitarkkuus.

Vaiheen synkronointi

Johdonmukainen säteenmuodostus edellyttää, että kaikki antennielementit lähettävät saman kantoaaltovaiheen (tai tunnetun vaiheen offset-tason) kanssa. Vaihemelu paikallisilta oskillaattoreilta (LO) on merkittävä haitta. Suurissa järjestelmissä yhteisen LO:n jakaminen yhdestä lähteestä vähentää vaihesiirtymää, mutta skaalautuvuuskysymykset johtuvat virranjaosta ja kaapelihäviöistä. Vaihtoehtoisesti riippumattomien LO:ien käyttö kussakin elementtissä edellyttää pitkälle kehitettyä vaiheseurantaa ja korjausta. OTA-menetelmät, kuten vastavuoroisuuteen perustuva säteenmuodostus ja käyttäjälaitteista (UE) saatava palaute, voivat auttaa, mutta ne tuovat mukanaan latenssia ja perustuvat tarkkuuteen kanavan estimoinnissa. Kolmannen sukupolven kumppanuusprojekti (3GPP) sisältää määritykset vaihesynkronointia varten TS 38.104 (Base Station Radio Transmission and Acception) ], joka määrittelee vaatimukset suhteelliselle vaiheiden yhteiskäytölle antenniporteissa.

Kalibrointi: yhdenmukaisen elementin vasteen varmistaminen

Kalibrointi käsittelee kunkin antennielementin ja siihen liittyvän analogisen etupään amplitudi- ja vaihevasteiden eroja. Vaikka synkronointi yhdenmukaistaa ajoituksen ja kantoaaltojen vaiheen, amplitudi- ja vaiheiden väliset epäsuhtaisuudet elementtien välillä vääristävät matriisisädekuviota. On olemassa kaksi pääasiallista kalibrointistrategiaa: sisäinen (käyttäen sisäänrakennettuja testipolkuja) ja ulkoinen (käyttäen yli-ilma-viitesignaaleja).

Sisäinen kalibrointi ja sen rajoitukset

Sisäinen kalibrointi yhdistää tunnetun viitesignaalin jokaiseen siirtolaitteeseen tietyn kalibrointiverkon kautta. Tämä verkko itsessään tuo esiin taajuusriippuvaisia ja aikavaihteluista poikkeavia eroja. Elementtien määrän kasvaessa kalibrointiverkosto muuttuu monimutkaiseksi ja häviölliseksi. Kalibrointitarkkuus heikkenee myös lämpötilan muutosten ja komponentin ikääntymisen myötä. Valmistajat yhdistävät usein sisäisen kalibroinnin ajoittaisiin itsetestausrutiineihin, mutta kaikkien ympäristömuuttujien seuranta sadoille elementeille on edelleen merkittävä tekninen haaste.

Ilma-aluksen (OTA) kalibrointi

OTA-kalibrointi käyttää usein ulkoisista vertailulähettimistä tulevia signaaleja, jotka on tarkoitettu tiettyyn kalibrointiasemaan tai UE:hen tunnetussa paikassa. Se mittaa ja korjaa elementtien vasteita suoraan, mukaan lukien antennien keskinäiset kytkennät ja matriisien väliset vuorovaikutussuhteet.

  • Mittauksen epäselvyys:[] Kanavan vertailulähteen ja kunkin elementin välillä on oltava tiedossa tai erotettavissa. Multipaatti ja hajaantuminen vaikeuttavat tätä.
  • Kalibrointi:[ Kalibrointikertoimien laskeminen ja soveltaminen tuhansille elementeille reaaliajassa edellyttää merkittävää käsittelytehoa.
  • Kalibrointitaajuus:[ Ympäristömuutokset (lämpötila, tuulivoiman aiheuttama rakenteellinen liike) edellyttävät toistuvaa uudelleenkalibrointia, joka voi kuluttaa lentoaikaresursseja.

Yhteisellä lähestymistavalla on tarkoitus suorittaa OTA-kalibrointi tausta-alalla käyttäen suunniteltuja ... kalibrointipaikkoja.

Yhteiset liitännät ja kaarimuutokset

Tiheissä järjestelmissä vierekkäisten osien välinen sähkömagneettinen kytkentä muuttaa kunkin osan tehokasta säteilykuviota ja impedanssia. Kalibrointi on otettava huomioon nämä kytkentävaikutukset. Menetelmät, kuten keskinäinen kytkentäkorvaus tai upottaminen kalibrointiin säteenmuodostavan painolaskennan avulla, voivat lieventää ongelmaa, mutta ne lisäävät monimutkaisuutta. Lisäksi antennien sijaintiin ja lämpölaajenemisen aiheuttamaan muodonmuutokseen liittyvät mekaaniset toleranssit tuovat faasivirheet, jotka on mitattava ja korjattava.

Scaling Challenges: Sadoista tuhansiin elementteihin

Antennielementtien määrän kasvaessa synkronointi- ja kalibrointitehtävät vaikeutuvat eksponentiaalisesti datan määrän ja korkean tarkkuuden tarpeen vuoksi koko matriisissa.

Jaetut arkkitehtuurit ja vaihekonsernit

Tulevaisuudessa matriisi voidaan jakaa useisiin maantieteellisesti eroteltuihin osa-arrayytteihin (jaettu MIMO). Näiden osa-alueiden synkronointi edellyttää verkon aika- ja vaihelinjausta, joka ylittää sen, mitä yhden sivuston ratkaisut voivat saavuttaa. Etumatkayhteyksien latenssi ja jitteri tulevat kriittisiksi. O-RAN Alliance on määritellyt tarkat tiedot tiiviistä synkronoinnista radioyksiköiden välillä O-RAN-etulentostandardeissa[, mutta sub-nanosecond-ajankohdat ja milliradiaanivaiheen tarkkuus pakettiverkkojen yli ovat edelleen aktiivinen tutkimusalue.

Kalibrointialgoritmien laskentataakka

Kalibrointialgoritmit sisältävät usein matriisin inversion tai pienimmän neliön estimoinnin kaikille antennin poluille. N-elementtien matriisin kompleksisuusasteikot ovat O(N^3) tai huonompia, jos otetaan huomioon täydellinen ristisidonta. Tarvitaan tehokkaita rekursiivisia tai ristikkäislähtöisiä algoritmeja. Koneoppimismenetelmiä, erityisesti keinotekoisia hermoverkkoja, on ehdotettu ennustamaan kalibrointikertoimia, jotka perustuvat lämpötilaan, tehoon ja ikääntymiseen. Nämä mallit voivat vähentää uudelleenkalibrointia yläpuolella, mutta vaativat laajoja koulutustietoja.

Strategiat ja kehitteillä olevat ratkaisut

Tutkijat ja insinöörit ovat kehittäneet erilaisia tekniikoita, joilla voidaan vastata synkronointiin ja kalibrointiin liittyviin haasteisiin suurissa MIMO-järjestelmissä.

Jaettu paikallinen Oscillator-synkronointi

Sen sijaan, että jakaisit yhden LO:n, kullakin osa-alueella tai jopa jokaisella elementillä voi olla oma PTL (vaihelukittu silmukka) synkronoituna yhteiseen GPS-ohjautuvaan oskillaattoriin tai IEEE 1588 -verkkoon. Alhaisen vaiheen melua aiheuttavan taajuussynteesin avulla useat oskillaattorit voivat ylläpitää faasin johdonmukaisuutta muutaman asteen sisällä millimetriaaltotaajuuksilla. Fotonisia tekniikoita käyttävien viitesignaalien optinen jakautuminen on toinen lähestymistapa, jota tutkitaan massiivinen matriisien osalta sub-6 GHz:n ja mmWave-kaistoissa.

Vastavuoroisuuskalibrointi UL/DL-palautteella

TDD-järjestelmissä kanavan vastavuoroisuus säilyy vain, jos laitteiston vasteet kalibroidaan. Tunnettu menetelmä sisältää tunnetun kalibrointisignaalin lähettämisen jokaisesta elementistä ja vastaanotetun signaalin mittaamisen vertailuelementin (tai UE:n) kautta. Kalibrointikertoimet voidaan johtaa käyttämällä vastavuoroista kanavaa. Tämä lähestymistapa on rakennettu moniin massiivisiin MIMO-prototyyppeihin ja standardisoitu 3GPP.s TS 38.211 (Fysikaaliset kanavat ja modulaatio) käyttäen luotainviitesignaaleja (SRS) ja erityisiä kalibrointimenettelyjä.

Koneen oppiminen reaaliaikaiseen kalibrointiin

Syväoppiminen voi oppia monimutkaisen suhteen ympäristöolosuhteiden (lämpötila, kosteus, tehotasot) ja kalibrointivirheiden välillä. Kun malli on koulutettu, se voi ennustaa ja kompensoida driftiä keskeyttämättä normaalia toimintaa. Myös muunnelmia autoenkoodereissa ja generatiivisessa vastakkaisissa verkostoissa on tutkittu pienoismallien puutteita rajoitetuista mittauksista. Lupaavia ovat kuitenkin nämä mallit, jotka vaativat huolellista käyttöönottoa, jotta vältetään yliasennukset ja yleistetään eri laitteistoyksiköiden välillä.

Laitteiston parantaminen

Paremmat analogiset komponentit. Korkealaatuiset kiteet, lämpötila-kompensoidut oskillaattorit ja digitaalisesti soitettavat vaihemuuntajat. Vähennä synkronointi- ja kalibrointivirheiden laajuutta. Piipohjaiset säteenmuodostuksen IC-yhdisteet integroiduilla kalibrointiverkoilla ovat nyt kaupallisesti saatavilla jopa 64-elementtisille rakenteille. Tekoälyn integrointi ja käyttö sirutasolla voivat vähentää ulkoisen kalibroinnin tarvetta tulevissa sukupolvissa.

Päätelmä: Polku eteenpäin suurille MIMO Arrays

Synkronointi ja kalibrointi ovat edelleen keskeisimpiä ja teknisesti haastavimpia näkökohtia suurten MIMO-järjestelmien käyttöönotossa kaupallisissa verkostoissa. Ongelmat ulottuvat analogiseen laitteistosuunnitteluun, digitaaliseen signaalinkäsittelyyn ja verkkotason protokolliin. Vaikka mikään yksittäinen ratkaisu ei sovi kaikkiin skenaarioihin, parannetun laitteiston, älykkäiden algoritmejen ja standardipohjaisten synkronointikehysten yhdistelmä tekee massiivisesta MIMO-järjestelmästä entistä käytännöllisemmän. Jatkuva tutkimus hajautetun vaiheen johdonmukaisuudesta, yli-ilma-kalibrointiautomaation ja koneoppimisen avulla annettava korvaus on välttämätön näiden järjestelmien täyden potentiaalin avaamiseksi 5G:n lisäksi, mikä mahdollistaa entistä suuremman datan määrän ja tehokkaamman taajuuksien käytön. Kun kokojen kasvu jatkuu, alan on investoitava vahvoihin ja skaalattavissa oleviin kalibrointiarkkitehtuuriin, jotka voivat mukautua todellisiin toimintaolosuhteisiin ilman, että niiden suorituskyky uhrautuu.