詳解毫米波的波束合成
發(fā)布時間:2019-03-01 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】之前,我們分享了毫米波通信部署情形和傳播注意事項,今天,我們來看一下各種波束合成方法:模擬、數(shù)字和混合,如圖1所示。相信大家都很熟悉模擬波束合成的概念啦~
圖1. 各種波束合成方法
在這里,我們有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,將數(shù)字信號與寬帶基帶或IF信號相互轉(zhuǎn)換,連接執(zhí)行上變頻和下變頻處理的無線電收發(fā)器。在射頻(例如,28 GHz)中,我們將單個射頻路徑分成多條路徑,通過控制每個路徑的相位來執(zhí)行波束合成,從而在遠(yuǎn)場朝目標(biāo)用戶的方向形成波 束。這使得每條數(shù)據(jù)路徑都能引導(dǎo)單個波束,因此理論上來說,我們可以使用該架構(gòu)一次為一個用戶服務(wù)。
數(shù)字波束成型就是字面意思。相移完全在數(shù)字電路中實現(xiàn),然后通過收發(fā)器陣列饋送到天線陣列。簡單地說,每個無線電收發(fā)器都連接到一個天線元件,但實際上每個無線電都可以有多個天線元件,具體取決于所需扇區(qū)的形狀。該數(shù)字方法可實現(xiàn)最大容量和靈活性,并支持毫米波頻率的多用戶MIMO發(fā)展規(guī)劃,類似于中頻系統(tǒng)。這非常復(fù)雜,考慮到目前可用的技術(shù),無論是在射頻還是數(shù)字電路中,都將消耗過多的直流電。然而,隨著未來技術(shù)的發(fā)展,毫米波無線電將出現(xiàn)數(shù)字波束合成。
近期最實用、最有效的波束合成方法是混合數(shù)模波束成型,它實質(zhì)上是將數(shù)字預(yù)編碼和模擬波束合成結(jié)合起來,在一個空間(空間復(fù)用)中同時產(chǎn)生多個波束。通過將功率引導(dǎo)至具有窄波束的目標(biāo)用戶,基站可以重用相同的頻譜,同時在給定的時隙中為多個用戶服務(wù)。雖然文獻(xiàn)中報道的混合波束成型有幾種不同的方法,但這里顯示的子陣方法是最實際的實現(xiàn)方法,本質(zhì)上是模擬波束成型的步驟和重復(fù)。目前,報告的系統(tǒng)實際上支持2到8個數(shù)字流,可以用于同時支持單個用戶,或者向較少數(shù)量的用戶提供2層或更多層的MIMO。
讓我們更深入地探討模擬波束成型的技術(shù)選擇,即構(gòu)建混合波束成型的構(gòu)建模塊,如圖2所示。在這里,我們將模擬波束合成系統(tǒng)分為三個模塊進(jìn)行處理:數(shù)字、位到毫米波和波束成型。這并非實際系統(tǒng)的劃分方式,因為人們會把所有毫米波組件放在鄰近位置以減少損耗,但是這種劃分的原因很快就會變得很明顯。
圖2. 模擬波束合成系統(tǒng)方框圖
波束成型功能受到許多因素的推動,包括分段形狀和距離、功率電平、路徑損耗、熱限制等,是毫米波系統(tǒng)的區(qū)段,隨著行業(yè)的學(xué)習(xí)和成熟,需要一定的靈活性。即便如此,仍將繼續(xù)需要各種傳輸功率電平,以解決從小型蜂窩到宏的不同部署情形。另一方面,用于基站的位到毫米波無線電需要的靈活性則要小得多,并且在很大程度上可以從當(dāng)前Release 15規(guī)格中派生出來。換言之,設(shè)計人員可以結(jié)合多個波束成型配置重用相同的無線電。這與當(dāng)前的蜂窩無線電系統(tǒng)沒有什么不同,在這些系統(tǒng)中,小信號段跨平臺很常見,而且每個用例的前端更多都是定制的。
當(dāng)我們從數(shù)字轉(zhuǎn)向天線時,就已經(jīng)為信號鏈繪制了潛在技術(shù)的進(jìn)展圖。當(dāng)然,數(shù)字信號和混合信號都是在細(xì)線體CMOS工藝中產(chǎn)生的。根據(jù)基站的要求,整個信號鏈可以用CMOS開發(fā),或者更有可能的是,采用多種技術(shù)的混合開發(fā),為信號鏈提供最佳性能。例如,一種常見的配置是使用具有高性能SiGe BiCMOS IF 到毫米波轉(zhuǎn)換的CMOS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。如圖所示,波束成型可采用多種技術(shù)實現(xiàn),具體取決于系統(tǒng)需求,我們將在下面討論。根據(jù)所選的天線尺寸和發(fā)射功率要求,可以實現(xiàn)高度集成的硅方法,也可以是硅波束成型與離散PA和LNA的組合。
在之前的工作中,對變送器功率與技術(shù)選擇之間的關(guān)系進(jìn)行了分析,在此不再全面重復(fù)。但是,為了總結(jié)這一分析,我們在圖3中包含了一個圖表。功率放大器技術(shù)的選擇基于綜合考慮所需的變送器功率、天線增益(元件數(shù))和所選技術(shù)的RF發(fā)電能力。
圖3. 60 dBm EIRP的天線所需的變送器功率、天線尺寸和半導(dǎo)體技術(shù)選擇之間的關(guān)系
如圖所示,可以在前端使用II-V技術(shù)(低集成方法)或使用基于硅的高集成方法,通過較少的天線元件來實現(xiàn)所需的 EIRP。每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),而實際的實現(xiàn)取決于工程在規(guī)模、重量、直流功耗和成本方面的權(quán)衡。為了為表1中導(dǎo)出的案例生成60 dBm的EIRP,ADI 公司 Thomas Cameron 博士在2018 國際固態(tài)電路會議上的演示文稿“5G毫米波無線電的架構(gòu)與技術(shù)”中進(jìn)行的分析得出,最佳天線尺寸介于128至256個元件 之間,較低的數(shù)量通過GaAs功率放大器實現(xiàn),而較大的數(shù)量可 采用全硅波束成型基于RF IC的技術(shù)實現(xiàn)。
表1. 5G基站示例
現(xiàn)在讓我們從不同的角度來研究這個問題。60 dBm EIRP是FWA常用的EIRP目標(biāo),但數(shù)值可能更高或更低,具體取決于基站和周圍環(huán)境的期望范圍。由于部署情形變化很大,無論是樹木成蔭的地區(qū)、街道峽谷地區(qū),還是廣闊的空地,都有大量的路徑損耗需要根據(jù)具體情況進(jìn)行處理。例如,在假定為LOS的密集城市部署中,EIRP目標(biāo)可能低至50 dBm。
FCC按設(shè)備類別設(shè)定有定義和發(fā)布的規(guī)格,以及發(fā)射功率限制,這里我們遵循基站的3GPP術(shù)語。如圖4所示,設(shè)備類別或多或少地限定了功率放大器的技術(shù)選擇。
圖4. 基于變送器功率的各種毫米波無線電尺寸適配技術(shù)
雖然這不是一門精確的科學(xué),但我們可以看到,移動用戶設(shè)備(手機(jī))非常適合 CMOS技術(shù),相對較低的天線數(shù)量可以達(dá)到所需的變送器功率。這種類型的無線電將需要高度集成和省電才能滿足便攜式設(shè)備的需求。本地基站(小型蜂窩)和消費(fèi)者終端設(shè)備(可移動電 源)要求類似,涉及從變送器功率要求低端的CMOS到更高端的SiGe BiCMOS的一系列技術(shù)。中程基站非常適合SiGe BiCMOS技 術(shù),可實現(xiàn)緊湊的外形尺寸。在高端,對于廣域基站來說,可以應(yīng)用各種技術(shù),具體取決于對天線尺寸和技術(shù)成本的權(quán)衡。盡管可在60 dBm EIRP范圍內(nèi)應(yīng)用SiGe BiCMOS,但GaAs或GaN功率放大器更適合更高的功率。
圖4顯示了當(dāng)前技術(shù)的快照,但行業(yè)正在取得很大進(jìn)展,技術(shù)也在不斷改進(jìn),而提高毫米波功率放大器的直流功率效率是設(shè)計人員面臨的主要挑戰(zhàn)之一。
隨著新技術(shù)和PA架構(gòu)的出現(xiàn),上面的曲線將發(fā)生變化,并將為高功率基站提供集成度更高的結(jié)構(gòu)。最后我們再復(fù)習(xí)一下上面的觀點(diǎn),對波束成型部分進(jìn)行總結(jié)——目前還沒有一種萬能的方法,可能需要設(shè)計各種前端設(shè)計來解決從小型蜂窩到宏的各種用例。
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