Использование гибридного аналого-цифрового луча в массивных системах Mimo

Роль гибридного аналого-цифрового луча в массивных системах MIMO

Технология Massive Multiple Input Multiple Output (MIMO) стала краеугольным камнем современной беспроводной связи, особенно в эволюции 5G и за ее пределами. Развертывая сотни или даже тысячи антенн на базовых станциях, массивные системы MIMO обещают резкий рост спектральной эффективности, пропускной способности данных и пропускной способности сети. Однако практическая реализация таких больших антенных массивов создает значительные проблемы с точки зрения стоимости оборудования, энергопотребления и сложности обработки сигналов. Гибридное аналого-цифровое формирование луча появилось как критическое решение, которое уравновешивает производительность с осуществимостью, позволяя развертывать массивные MIMO в реальных сетях.

В этой статье рассматриваются принципы гибридного формирования луча, его преимущества перед полностью цифровыми и полностью аналоговыми альтернативами, архитектура, лежащая в основе его работы, а также ключевые проблемы и будущие направления, которые будут определять его внедрение в системах следующего поколения.

Понимание формирующего луч ландшафта

Формирование луча — это метод обработки сигналов, используемый для направления передачи или приема радиоволн в определенном направлении, улучшения качества сигнала и уменьшения помех.В массивных системах MIMO лучообразование имеет важное значение для фокусировки энергии на предполагаемых пользователях и пространственного мультиплексирования нескольких потоков данных.Существуют три основные категории формирования луча: аналоговая, цифровая и гибридная.

Аналоговое формирование луча

Аналоговое формирование луча использует фазовые сдвигатели на переднем конце радиочастоты (RF) для регулировки фазы сигналов до их объединения или разделения. Для этого требуется только одна радиочастотная цепь, что делает ее недорогой и энергоэффективной. Однако аналоговое формирование луча может управлять только одним лучом за раз, ограничивая его способность одновременно обслуживать несколько пользователей или поддерживать несколько потоков данных. Это ограничивает его применимость в массовых сценариях MIMO, где пространственное мультиплексирование имеет решающее значение.

Цифровое формирование луча

Цифровое формирование луча выполняет фазовые и амплитудные корректировки в базовой полосе, перед преобразованием в аналоговую. Предлагает максимальную гибкость, позволяющую создавать несколько одновременных лучей и расширенное управление помехами. Каждому антенному элементу требуется выделенная радиочастотная цепь (миксер, ADC/DAC, усилители), масштабируемая линейно с количеством антенн. Для массивов 64, 128 или более элементов стоимость, мощность и размер полностью цифровых архитектур становятся непомерно высокими, особенно на миллиметровых волновых (ммволновых) частотах, где компоненты стоят дороже.

Гибридный подход

Гибридное аналого-цифровое формирование луча сочетает в себе сильные стороны как аналоговых, так и цифровых доменов. Он использует ограниченное количество радиочастотных цепей — гораздо меньше, чем количество антенн — для снижения аппаратной нагрузки, при этом используя цифровой лучоформитель для обработки нескольких потоков и аналоговый лучоформитель для управления общей схемой излучения. Эта архитектура достигает компромисса между производительностью и сложностью аппаратного обеспечения, что делает массивный MIMO технически и экономически жизнеспособным для коммерческого развертывания.

Архитектура и эксплуатация гибридного лучеобразования

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.

Этот двухступенчатый процесс позволяет системе использовать пространственный мультиплексирующий коэффициент цифрового формирования луча при использовании недорогого рулевого управления аналоговым лучом. В практических реализациях аналоговый лучоформитель часто использует сеть фазовых сдвигателей, расположенных в структуре «субаррая», где каждая радиочастотная цепь питает подмножество антенн. Альтернативно, полностью подключенная архитектура позволяет каждой радиочастотной цепи достигать каждой антенны через банк фазовых сдвигателей, предлагая большую гибкость за счет более сложного оборудования.

Математические рамки

С точки зрения обработки сигнала, принятый сигнал в гибридной системе формирования луча может быть смоделирован как y = H FRFFFBBB, где HHRFRFFBBBB является передающимся вектором символа, nnRFRF и FFFFB

Преимущества гибридного луча в массивном MIMO

Гибридное формирование луча предлагает несколько неоспоримых преимуществ, которые сделали его ключевым фактором для массивного MIMO в 5G и за его пределами:

  • Снижение стоимости аппаратного обеспечения:] Используя гораздо меньше радиочастотных цепей, чем антенны, гибридные архитектуры значительно снижают стоимость материалов. Для 64-элементной матрицы mmWave гибридная конструкция может использовать 8 или 16 радиочастотных цепей вместо 64, сокращая затраты до 75% при сохранении сопоставимой производительности.
  • Эффективность питания: RF-цепи потребляют значительную мощность, особенно на высоких частотах.Сокращение их количества сокращает общее энергопотребление, что имеет решающее значение для базовых станций, развернутых в плотных городских условиях или отдаленных районах.
  • Масштабируемость: Гибридные лучообразующие шкалы естественным образом с размером массива. Добавление антенн требует только дополнительных фазовых переключателей (которые являются дешевыми и малой мощностью), а не полных радиочастотных цепей. Это позволяет массивам с сотнями элементов без экспоненциального роста аппаратного обеспечения.
  • Сохранение производительности: Несмотря на использование меньшего количества радиочастотных цепей, гибридное формирование луча может достичь почти оптимальной спектральной эффективности, разумно разделив задачу формирования луча. Исследования показывают, что с правильно разработанными алгоритмами гибридные системы могут приближаться к производительности полностью цифровых массивов в пределах небольшого поля (часто меньше, чем 1 дБ потери).
  • Гибкость: Цифровой компонент обеспечивает поддержку MIMO для нескольких пользователей, нульирование помех и адаптивную модуляцию — функции, которые сложны или невозможны при чисто аналоговом формовании луча.

Сравнительная таблица: аналог против цифрового против гибридного

Хотя табличный формат был бы идеальным, мы суммируем компромиссы: аналоговое формирование луча является самым дешевым и наиболее энергоэффективным, но предлагает только однолучевую работу. Цифровое формирование луча является полностью гибким и высокопроизводительным, но дорогим и энергоемким. Гибридное формирование луча находится посередине, обеспечивая хороший баланс, который особенно привлекателен для массивных MIMO-систем mmWave, где количество антенн велико, но бюджеты радиочастотной цепи ограничены.

Приложения в 5G и миллиметровых волновых коммуникациях

Гибридное формирование луча особенно актуально для развертываний 5G New Radio (NR), работающих в спектре mmWave (24 ГГц и выше). На этих высоких частотах потери пути являются серьезными, и для закрытия бюджета связи необходимы большие лучи направленного действия. Массивные MIMO-решения с гибридным формированием луча могут генерировать узкие, управляемые лучи, которые отслеживают пользователей и преодолевают препятствия. Например, в городской макросоте 5G базовая станция, оснащенная 256-элементным массивом с использованием гибридного формирования луча, может одновременно обслуживать десятки пользователей с высокой скоростью передачи данных, сохраняя при этом управляемые аппаратные затраты.

Помимо 5G, гибридное формирование луча исследуется для систем 6G, которые будут работать на субтерагерцовых частотах (100-300 ГГц). Эти системы потребуют еще больших массивов (тысячи элементов) для компенсации поглощения атмосферы, что делает гибридные архитектуры практически обязательными. Исследовательские проекты, такие как инициатива Европейского союза Hexa-X , определили гибридное формирование луча как основную технологию, обеспечивающую возможность.

Используйте чехлы

  • Фиксированный беспроводной доступ (FWA): Гибридная лучевая форма позволяет широкополосные соединения высокой емкости с домами и предприятиями с использованием спектра mmWave, избегая затрат на транширование волокон.
  • Транспортное средство-всему (V2X): Высокоскоростные транспортные средства требуют быстрого отслеживания луча и многопотоковой поддержки, которую гибридные архитектуры могут обеспечить с низкой задержкой.
  • Внутридомовые точки доступа: Торговые центры, стадионы и аэропорты получают выгоду от пространственного мультиплексирования гибридных массивных MIMO, чтобы обслуживать большое количество пользователей одновременно.
  • Спутниковые связи: Низкоорбитальные спутниковые группировки (LEO) с использованием фазированных массивов полагаются на гибридное формирование луча для снижения нагрузки на бортовую обработку при сохранении нескольких точечных лучей.

Алгоритмы и соображения дизайна

Проектирование гибридных систем формирования луча включает в себя решение сложных задач оптимизации. Аналоговый лучообразитель ограничен только фазовыми настройками (постоянный модуль), а фазовые сдвигатели часто имеют ограниченное разрешение (например, 4 или 5 бит). Цифровое предварительное кодирование может быть более гибким, но должно работать в рамках аналоговых ограничений.

Общий подход заключается в разложении проблемы формирования луча: сначала проектируйте аналоговый лучообразитель, чтобы захватить доминирующие пространственные компоненты канала, затем проектируйте цифровой прекодер для обработки оставшихся помех и разделения потока.

  • Ортогональное согласование погони (OMP): Относитесь к аналоговому лучеобразующему дизайну как к проблеме с редким представлением, выбирая столбцы из словаря возможных аналоговых лучей.
  • Многообразная оптимизация: Используйте риманову оптимизацию для непосредственного управления постоянным ограничением модуля на аналоговой матрице.
  • Подходы, основанные на кодеках: Предопределить набор аналоговых пучков и выбрать наилучшую комбинацию для текущих условий канала, уменьшая вычислительную нагрузку в реальном времени.
  • Глубокое обучение: Нейронные сети могут научиться отображать оценки каналов в оптимальные матрицы формирования луча, предлагая решения с низкой задержкой для изменяющихся во времени каналов.

Для более глубокого погружения в разработку алгоритмов обратитесь к всестороннему обзору Алхатеб и др. (2016) по гибридному формованию луча для связи mmWave.

Проблемы и ограничения

Несмотря на свои обещания, гибридное лучеобразование сталкивается с несколькими препятствиями, которые необходимо устранить для широкого распространения:

  • Нарушения аппаратного обеспечения: Фазовые сдвигатели имеют ограниченное разрешение, потерю вставки и фазовые ошибки. Для поддержания точности формирования луча необходимы методы калибровки, особенно в больших массивах.
  • Оценка каналов: Гибридные архитектуры усложняют получение информации о состоянии канала (CSI), поскольку для зондирования доступно только ограниченное количество радиочастотных цепей.
  • Обработка в реальном времени: Алгоритмы совместного аналогового/цифрового формирования луча должны работать с низкой задержкой для отслеживания быстрых изменений канала. Это требует эффективной аппаратной реализации, часто с использованием FPGA или выделенных ASIC.
  • Субоптимальная производительность: При определенных условиях канала (например, сильно коррелированных каналах) гибридное формирование луча может быть неспособно соответствовать производительности полностью цифровых систем, особенно в многопользовательских сценариях со многими потоками.
  • Интеграция с MIMO: Гибридные системы формирования луча должны быть разработаны в сочетании с передовыми методами MIMO, такими как пространственное мультиплексирование, отслеживание луча и передача, что добавляет сложности системе.

Чтобы смягчить эти проблемы, исследователи изучают адаптивные гибридные архитектуры, которые могут динамически переключаться между аналоговым и цифровым режимами, а также самокалибровочные массивы, которые используют обратную связь от цифровой базовой полосы.

Будущие направления и тенденции исследований

В следующем десятилетии гибридное формирование луча будет развиваться наряду с несколькими ключевыми тенденциями:

  • Перенастраиваемые интеллектуальные поверхности (RIS): RIS может увеличить гибридное формирование луча, предоставляя дополнительные, маломощные элементы формирования луча, которые пассивно отражают сигналы, увеличивая покрытие и емкость.
  • Sub-THz и Terahertz Systems: По мере того, как несущие частоты будут подниматься выше 100 ГГц, количество необходимых антенных элементов достигнет тысяч или десятков тысяч. Гибридные архитектуры с очень небольшим количеством радиочастотных цепей будут иметь решающее значение для поддержания мощности и стоимости в разумных пределах.
  • AI-Native Air Interface: Машинное обучение автоматизирует управление лучами, оценку каналов и гибридный дизайн прекодера, что позволяет быстро адаптироваться в условиях высокой мобильности.
  • Интегрированные датчики и коммуникации (ISAC): Гибридные лучеобразующие массивы могут одновременно обслуживать пользователей связи и выполнять радиолокационное зондирование, что позволяет применять их в автономном вождении и на интеллектуальных заводах.
  • Открытый RAN и облачный RAN: Виртуализированные базовые станции могут выгружать цифровую обработку формирования луча в облако, сохраняя аналоговое формирование луча на удаленном радиоблоке. Это разделяет гибридную архитектуру по линии фронтальной магистрали, вводя новые проблемы задержки и синхронизации.

Эти разработки позволят перейти от гибридного лучеобразования с помощью 5G-усилителя к фундаментальному компоненту будущих беспроводных систем. Органы стандартизации, такие как 3GPP, уже изучают усовершенствования для массивного MIMO в выпуске 18 и далее, причем гибридное лучеобразование играет центральную роль.

Заключение

Гибридное аналого-цифровое формирование луча представляет собой прагматичный и мощный компромисс между крайними концами аналоговой и цифровой архитектур. Разделив нагрузку на пространственную обработку на недорогую аналоговую область и гибкую цифровую область, это делает массивную MIMO экономически и технически осуществимой для коммерческих беспроводных сетей. Его внедрение в системы 5G mmWave уже продемонстрировало значительные улучшения в емкости и охвате, в то время как текущие исследования обещают еще большую эффективность для 6G и за ее пределами.

Для инженеров и системных дизайнеров понимание гибридного формирования луча имеет важное значение для создания беспроводной инфраструктуры следующего поколения. По мере того, как затраты на оборудование продолжают падать, а алгоритмы созревают, гибридные архитектуры, вероятно, станут решением для формирования луча по умолчанию для любой системы с более чем несколькими десятками антенн. Будущее беспроводной связи будет определяться нашей способностью эффективно использовать пространственное измерение - и гибридное формирование луча является ключом, который раскрывает этот потенциал.