התפקיד של מערכות אנליסטים היברידית (Ricia Analog-Digital Beamforming) Massive MIMO Systems

טכנולוגיות מרובות של Input מרובות Output (MIMO) הפכו לאבן הפינה של התקשורת האלחוטית המודרנית, במיוחד באבולוציה של 5G ומעבר לכך, על ידי פריסת מאות או אפילו אלפי אנטנה בתחנות בסיס, מערכות MIMO מסיביות מבטיחות רווחים דרמטיים ביעילות ספקטרלית, נתונים באמצעות חישוב, וקיבולת רשתית.

מאמר זה חוקר את עקרונות ההוויה ההיברידית, את היתרונות שלה על חלופות דיגיטליות לחלוטין אנלוגיות מלאות, האדריכלות שמבססת את פעולתה, ואת האתגרים המרכזיים ואת הכיוונים העתידיים אשר יעצבו את אימוץה במערכות הדור הבא.

הבנת הנוף Beamforming

Beamforming היא טכניקת עיבוד אותות המשמשת כדי לכוון את השידור או קבלת גלי רדיו בכיוון מסוים, שיפור איכות האות וצמצום ההתערבות. במערכות MIMO מסיבי, beamforming חיוני למקד אנרגיה כלפי משתמשים המיועדים ורב-לשונית מספר זרמי נתונים. 3 קטגוריות עיקריות של beamforming קיימים: אנלוגי, דיגיטלי ו היברידית.

אנליזה Beamforming

Analog beamforming משתמש במשמרות שלב בתדירות הרדיו (RF) כדי להתאים את שלב האותות לפני שהם משולבים או מפוצלים.זה דורש רק שרשרת RF אחת, מה שהופך אותו זול ויעיל כוח.עם זאת, beamforming אנלוגי יכול רק לנווט קרן אחת בזמן, להגביל את היכולת שלו לשרת בו זמנית משתמשים מרובים או לתמוך בזרמים מרובים נתונים.

Digital Beamforming

beamforming מבצע שלב והתאמות אמפיריות בפס הבסיס, לפני המרה להשוואה. זה מציע גמישות מקסימלית, המאפשר יצירת מספר דבורים במקביל וניהול הפרעות מתקדם.כל אלמנט אנטנה דורש שרשרת RF ייעודית (מיקסר, ADC / DAC, מגברי גל), אשר מקנה באופן ליניארי עם מספר האנטנה.

הגישה ההיברידית

הדבורה האנלוגית-דיגיטלית משלבת את נקודות החוזק של שני התחומים האנלוגיים והדיגיטליים.זה משתמש במספר מוגבל של רשתות RF - הרבה פחות ממספר האנטנות - כדי להפחית את נטל החומרה, תוך שימוש במוטב דיגיטלי כדי לעבד מספר זרמים ומוטב אנלוגי להנעת דפוס הקרינה הכולל.אדריכלות זו משיגה מסחר בין ביצועים לחומרה, מה שהופך את ה-MIMO לפוטנציאלי יעיל מבחינה טכנית לפריסה מסחרית.

אדריכלות ומבצע של Beamforming

A typical hybrid beamforming system consists of a digital precoder, a set of RF chains, and an analog beamforming network connected to the antenna array. The digital precoder operates in the baseband domain, processing Ns data streams and mapping them onto NRF RF chains (where NRF is often much smaller than the number of antennas Nant). The analog beamformer then maps each RF chain output to the antenna elements using phase shifters (and possibly gain controls), creating directional beams.

תהליך זה שני שלבים מאפשר למערכת לנצל את הרווח המולטס של beamforming דיגיטלית תוך מינוף של קרן בעלות נמוכה של אנלוגיה.ביישומים מעשיים, beamformer אנלוגי לעתים קרובות משתמש רשת של שינויים שלב מסודרים במבנה "subarray", שבו כל שרשרת RF מזין תת-קרקעית של אנטנה.

מסגרת מתמטית

(ב) [17] , [17] , [17] , [17] , [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

יתרונות ההיברידיים Beamforming ב-Masive MIMO

מותג היברידי מציע כמה יתרונות משכנעים שהפכו אותו לגורם מפתח עבור MIMO מסיבי ב 5G ומעבר:

  • (FLT:0) Hardware Cost Reduction: FLT:1 באמצעות הרבה פחות רשתות RF מאשר אנטנה, אדריכלות היברידית מורידה באופן דרמטי את הצעת החומרים.עבור מערך 64-element mmWave, עיצוב היברידי עשוי להשתמש 8 או 16 שרשראות RF במקום 64, חיתוך עלויות עד 75% תוך שמירה על ביצועים דומים.
  • (FLT:0)Power Efficiency:FLT:1 שרשראות RF צורכות כוח משמעותי, במיוחד בתדרים גבוהים.הפחתת מספרן של צריכת החשמל הכוללת, אשר קריטי עבור תחנות בסיס פרוסות בסביבות עירוניות צפופות או באזורים מרוחקים.
  • (FLT:0) calScalability: FLT:1 קשקשים היברידיים באופן טבעי עם גודל מערך. אנטנות הוספת דורשות רק משמרות שלב נוספות (אשר הן זולות ונמוכות) ולא שלמות של רשתות RF.זה מאפשר ערכים מסיביים עם מאות אלמנטים אקספוננציאלי ללא צמיחה חומרה.
  • (FLT:0) אישור: (FLT:1) למרות השימוש בפחות שרשראות RF, מצורף היברידי יכול להשיג יעילות ספקטרום כמעט-אופטימי על ידי פיצול בחוכמה המשימה המבשר.מחקרים מראים כי עם אלגוריתמים מעוצבים כראוי, מערכות היברידיות יכולות לגשת לביצוע של מערךים דיגיטליים מלאים בתוך שולי קטן (לעיתים פחות מ-1DB אובדן).
  • (FLT:0) lexibility: FLT:1 המרכיב הדיגיטלי מאפשר תמיכה מרובה משתמשים MIMO, הפרעה, ומודולציה הסתגלות - פונקציונליות שקשה או בלתי אפשרי עם beamforming אנלוגי טהור.

נספח: Analog vs. Digital vs Hybrid

בעוד פורמט לשוני יהיה אידיאלי, אנו מסכמים את העסקאות: Analog beamforming הוא זול ויעיל ביותר כוח אבל מציע רק פעולה חד-מאם יחיד. . Digital beamforming הוא גמיש לחלוטין ביצועים גבוהים אך יקר וכוח-hungry. היברידי beamforming יושב באמצע, מתן איזון טוב אטרקטיבי במיוחד עבור מערכות MIMO מסיביות MIMO שבו מספר האנטנה הוא גדול הוא שרשרת RF אבל תקציב הדוק.

יישומים ב 5G ו- מילימטר-וייב תקשורת

beamforming היברידי רלוונטי במיוחד עבור 5G רדיו חדש (NR) פריסות הפעלה בספקטרום מ"מWave (24 GHz ומעלה) בתדרים גבוהים אלה, אובדן נתיב הוא חמור, ו גבוה כיבים בכיוון גבוה נדרשים לסגור את תקציב הקישור. ⁇ MIMO עם מערכי חומרה היברידית יכול ליצור עמימות צר, הנעה כי לעקוב אחר משתמשים להתגבר על מכשולים, לדוגמה, לשרת את לוח זמנים מצויד עם בסיס מבוזר עם מסד נתונים היברידי עם 256 מצויד עם 256 אינץ '.

מעבר 5G, beamforming היברידי נחקר עבור מערכות 6G אשר יפעלו בתדרים תת-טרחרץ (100-300 GHz) מערכות אלה ידרוש אפילו מערך גדול יותר (אלפי אלמנטים) כדי לפצות על ספיגה אטמוספירית, מה שהופך אדריכלות היברידית כמעט חובה.

השתמש במקרים

  • (FLT:0)Fixed Wireless Access (FWA): ibph:1 , ההיברידי מאפשר חיבורי פס רחב בעלי יכולת גבוהה לבתים ועסקים באמצעות ספקטרום מ"מ ואב, הימנעות מהעלות של סיבים.
  • (FLT:0) ו-V2XIRLT (V2XIR): כלי רכב מהירים 1:1 דורשים מעקב מהיר ותמיכה רב-זרםית, אשר אדריכלות היברידית יכולה לספק עם נטיות נמוכה.
  • (FLT:0)Indoor Hotspots:FLT:1 קניונים, אצטדיוןים ושדות תעופה נהנים מרווחים מרובים מרחביים של MIMO היברידי לשרת מספר גדול של משתמשים בו זמנית.
  • (FLT:0Satellite Communications: 1) מסלול לווייני נמוך-אדמה (LEO) באמצעות מערךים מגובשים מסתמכים על beamforming כדי להפחית את עומס העיבוד על לוח תוך שמירה על מספר רב של דבורים.

אלגוריתמים ושיקולי עיצוב

תכנון מערכות מחשוב היברידיות כרוך בפתרון בעיות אופטימיזציה מאתגרות.המוטב האנלוגי מוגבל להתאמות שלב בלבד (מודולולוסים של קונסטנט), ומשמרות שלב לעיתים קרובות יש פתרון מוגבל (למשל, 4 או 5 ביטים) קידוד דיגיטלי יכול להיות גמיש יותר אך חייב לעבוד בתוך המגבלות האנלוגיות.

גישה נפוצה היא למחיקת הבעיה המבשרת: עיצוב ראשון של beamformer האנלוגי כדי ללכוד את רכיבי המרחב הדומיננטיים של הערוץ, ולאחר מכן לעצב את ה-Precoder הדיגיטלי כדי להתמודד עם הפרעות וזרימת נפרדות.

  • (FLT:0) אורטוקונלי התאמת פוריפים (OMP03): FLT:1 להתייחס עיצוב אמפפור אנלוגי כבעיה ייצוגית עווית, בחירת עמודות מ מילון של דבורים אנלוגיות אפשריות.
  • (FLT:0) אופטימיזציה כפולה: FLT:1ir השתמש אופטימיזציה Riemannian כדי לטפל ישירות את המודולוס הקבוע על מריצה אנלוגית.
  • (FLT:0) גישות מבוססות קודקוד: FLT:1) קדם-הגנה על קבוצה של תבניות אנלוגיות של דבורים ובחירת השילוב הטוב ביותר עבור תנאי הערוץ הנוכחי, צמצום עומס חישובי בזמן אמת.
  • (FLT:0) למידה: רשתות ניאלר 1 יכולות ללמוד למפות הערכות למטב אופטימליות, המציעות פתרונות חסכוניים לערוצי זמן.

לצליל עמוק יותר לתוך עיצוב אלגוריתם, מתייחס לסקר מקיף על ידי FLT:0 [Alkhateeb et al. (2016)FLT:1 על מנת ליצור תקשורת היברידית עבור מ"מ ואב.

אתגרים ומגבלות

למרות הבטחתו, הדבורה ההיברידית מתמודדת עם כמה מכשולים שיש לטפל בהם לאימוץ נרחב:

  • (FLT:0) שינויים: FLT:1 שינויים שלב יש פתרון מוגבל, אובדן החדרה וטעויות שלב. טכניקות קליברציה נדרשים לשמור על דיוק מגובש, במיוחד בערכים גדולים.
  • (FLT:0)hannel Estimation:FLT:1 אדריכלות היברידית מסבך את המידע של המדינה ערוץ (CSI) רכישה כי רק מספר מוגבל של רשתות RF זמינים לחישה.
  • עיבוד בזמן אמת:0 (FLT:1 אלגוריתמים עבור אנלוגי / ספרותי משותף חייב לרוץ עם נטיות נמוכה לעקוב אחר וריאציות ערוץ מהיר.זה דורש יישום חומרה יעילה, לעתים קרובות באמצעות FPGAs או ייעודי ASICs.
  • (FLT:0) ביצועים מובנים: FLT:1 בתנאים מסוימים של ערוץ (למשל, ערוצים מתוקשרים מאוד), חומר היברידי עשוי להיות לא מסוגל להתאים את הביצועים של מערכות דיגיטליות מלאות, במיוחד בתרחישים מרוב משתמשים עם זרמים רבים.
  • (FLT:0) אינטגרציה עם MIMO:FIRLT:1 , מערכות ההיברידיות חייבות להיות מתוכננות בשילוב עם טכניקות מתקדמות MIMO כגון ריבוי מרחבי, מעקב בישבן, ו Handover, הוספת מורכבות מערכת.

כדי להקל על נושאים אלה, החוקרים חוקרים חוקרים לחקור אדריכלות היברידית של 0 (adaptive Hybridאדריכלות אנדרטה:1 שיכול לעבור בין מצבים אנלוגיים ודיגיטליים באופן דינמי, כמו גם מערךים עצמיים המשמשים משוב מעמוד הבסיס הדיגיטלי.

מגמות מחקר ודרכים לעתיד

העשור הבא יראה את ההיברידי מתפתח לצד כמה מגמות מפתח:

  • (FLT:0) יסודות חכמים חכמים (RIS): אנדרל 1:1 RIS יכול להגדיל את ההוויה ההיברידית על ידי מתן אלמנטים נוספים, כוח נמוך, המשקפים אותות באופן פסיבי, שיפור הכיסוי והיכולות.
  • (FLT:0)Sub-THz ו- Terahertz Systemss:FLT:1 כאשר תדרי המוביל עולים מעל 100 GHz, מספר רכיבי האנטנה הדרושים יגיע לאלפים או עשרות אלפי אדריכלות היברידית עם מעט מאוד רשתות RF יהיה קריטי לשמור על כוח ועלות בתוך סיבה.
  • (FLT:0)AI-Native Air Interface:FLT:1 Machine הלמידה תהיה ניהול קרן אוטומטי, עיצוב תקשור ועיצוב קודר היברידי, המאפשר הסתגלות מהירה בסביבות בעלות גבוהה.
  • (FLT:0) Integrated Sensing and Communications (ISAC): מערך ההיגוי ההיברידי יכול לשרת בו זמנית משתמשים בתקשורת ולבצע חישה מכ"ם, המאפשרת יישומים במפעלים אוטונומיים וחכמים.
  • (FLT:0) פתח RAN וענני RAN:FIRLT:1) תחנות בסיס וירטואליות עלולות לפסול עיבוד מחלחל דיגיטלית לענן תוך שמירה על קידוד אנלוגי ביחידת הרדיו המרוחקת.זה מתפצל את הארכיטקטורה ההיברידית על פני קישור חזיתי, המציג אתגרים חדשים של נדיבות וסינכרון.

התפתחויות אלה ידחפו את ההוויה ההיברידית מגורם 5G לרכיב בסיסי של מערכות אלחוטיות עתידיות. Standardization גופים כגון 3GPP כבר לומדים שיפורים עבור MIMO מסיבי לשחרר 18 ומעבר, עם beamforming היברידי לשחק תפקיד מרכזי.

מסקנה

דו-שיח אנלוגי-דיגיטלי מייצג פשרה מעשית ורבת עוצמה בין הקצוות הקיצוניים של אדריכלות אנלוגית ודיגיטלית.על ידי מחיקת העומס המרחבי לתוך תחום אנלוגי זול ותחום דיגיטלי גמיש, הוא הופך את ה-MIMO מסיבי מבחינה כלכלית וטכנית לרשתות אלחוטיות מסחריות.אימוץ שלה במערכות 5GWave כבר הוכיח שיפורים משמעותיים ביכולת ובכיסוי, בעוד מחקרים מתמשך מבטיח יעילות רבה יותר עבור 6GGGG.

עבור מהנדסים ומעצבי מערכת, הבנה של beamforming היברידית חיונית לבניית הדור הבא של תשתיות אלחוטיות.כפי שעלויות חומרה ממשיכות ליפול ואלגוריתמים בוגרים, אדריכלות היברידית תהיה ככל הנראה הפתרון של יצירת ברירת המחדל עבור כל מערכת עם יותר מ תריסר אנטנה.העתיד של תקשורת אלחוטית יהיה מעוצב על ידי יכולתנו לרתום ביעילות את הממד המרחבי - ומדמם היברידי הוא המפתח הזה פותח פוטנציאל זה.