基于波束賦形技術(shù)的無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)

柯翔敏

(華僑大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心, 福建 廈門 361021)

目前,5G移動(dòng)通信各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)正在逐步凍結(jié),業(yè)界對(duì)于下一代移動(dòng)通信中將要采用的主要技術(shù)都已經(jīng)有了大致共識(shí)。2018年,5G獨(dú)立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)完畢,第一階段的標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)完成，其中能夠集成于移動(dòng)端設(shè)備的大規(guī)模多輸入、多輸出毫米波天線陣列是5G射頻技術(shù)的重中之重,依托于毫米波天線陣列的波束賦形技術(shù)和高集成度射頻芯片的空口測(cè)試也備受關(guān)注。為了讓學(xué)生能夠?qū)π屡d通信技術(shù)的有直觀的認(rèn)識(shí),提出了一種引入簡(jiǎn)化波束賦形技術(shù)的無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)。

1 波束賦形基本原理及作用

波束賦形是5G通信的核心技術(shù),對(duì)多波束天線陣列有良好的兼容性,并且能夠平滑地進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中,70%的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量在僅占20%面積的熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生。傳統(tǒng)的移動(dòng)通信在中心商圈、集會(huì)場(chǎng)所、交通樞紐、大學(xué)校園等人流密集的區(qū)域往往會(huì)面臨話務(wù)負(fù)荷高、通信容量不足的問(wèn)題,對(duì)高層建筑物信號(hào)覆蓋困難,建筑物密集區(qū)域內(nèi)多徑干擾嚴(yán)重,小區(qū)邊緣用戶通信質(zhì)量較低。

通過(guò)改變大規(guī)模天線陣列的波束形狀,可以在垂直方向形成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的多個(gè)波束,覆蓋多用戶群,并且根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整波束寬度和天線增益,補(bǔ)償波束傳播損耗,提高垂直高度的覆蓋率[1-5]。利用空間復(fù)用技術(shù)可達(dá)到在空間域擴(kuò)展信道容量的目的。面對(duì)強(qiáng)信號(hào)干擾,自適應(yīng)波束賦形可以運(yùn)用算法估計(jì)干擾方向,在指定方向形成零點(diǎn)(null),進(jìn)行空域?yàn)V波,從而抑制噪聲,提高鏈路質(zhì)量。

以一維天線陣列為例,如圖1所示,從來(lái)波角度對(duì)波束賦形原理進(jìn)行考量。陣元間距為d,相鄰單元波程差ΔL=d·sinβ,則一維線陣的陣因子為

其中wi是每個(gè)天線單元的幅度,φi是每個(gè)單元的相位,β是陣列波束的指向。

圖1 一維天線陣列示意圖

可以通過(guò)配置各個(gè)單元饋電的幅度和相位來(lái)改變陣列的波束指向和波束形狀,實(shí)現(xiàn)波束賦形。自適應(yīng)波束形成的權(quán)重優(yōu)化有自適應(yīng)主波束控制和方向圖零點(diǎn)控制兩方面。主波束控制往往基于最大信噪比準(zhǔn)則,考慮陣列接收信號(hào)中包含的噪聲成分,在接收陣列輸出的信噪比最高的情況下對(duì)陣列權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化；方向圖零點(diǎn)控制優(yōu)化準(zhǔn)則中最常使用的是線性約束最小方差準(zhǔn)則(linear constrained minimum variance)。

給定期望用戶方向的天線增益,就保證了接收系統(tǒng)所輸出的期望信號(hào)的大小。在此前提下優(yōu)化陣列權(quán)重,使得接收陣列天線總的輸出功率最小。這就意味著接收天線陣列的輸出信號(hào)中干擾與噪聲的功率之和最小,實(shí)現(xiàn)了對(duì)干擾信號(hào)的抑制[6]。

格里菲斯最小均方誤差波束賦形算法(Griffiths-LCMV)是一種基于上述優(yōu)化準(zhǔn)則的經(jīng)典自適應(yīng)算法。該算法脫胎于最速梯度下降法,它不需要實(shí)時(shí)進(jìn)行環(huán)境采樣來(lái)進(jìn)行參考信號(hào)的估計(jì)。該算法的權(quán)重向量迭代式(已省略數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程)為

Wk+1=Wk+2μrxd-2μXkYk

其中Wk+1和Wk分別為第k+1次和第k次迭代的陣列權(quán)重向量,μ為迭代步長(zhǎng),rxd是來(lái)波信號(hào)x(t)與參考信號(hào)d(t)的互相關(guān)函數(shù)。而參考信號(hào)d(t)僅僅與期望的用戶信號(hào)相關(guān),與噪聲和干擾信號(hào)不相關(guān),Yk=WkXk是接收陣列的輸出信號(hào)[7-10]。根據(jù)權(quán)重向量對(duì)天線陣列進(jìn)行配置,就能使天線波束自動(dòng)跟蹤用戶方位,同時(shí)屏蔽其他方向的干擾。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及流程

在實(shí)際商用環(huán)境中,面對(duì)大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量的權(quán)重優(yōu)化計(jì)算,需要將自適應(yīng)波束賦形算法燒制在可編程開(kāi)發(fā)板中,通過(guò)可編程開(kāi)發(fā)板控制射頻前端的移相器(phase shifter)和衰減器(attenuator),實(shí)現(xiàn)天線陣列的權(quán)重配置。但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí),不需要做如此大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算,并且在實(shí)驗(yàn)臺(tái)位置相對(duì)固定的環(huán)境中,也不需要自適應(yīng)進(jìn)行天線波束的跟蹤。

鑒于上述兩點(diǎn),在保證實(shí)驗(yàn)原理一致性的前提下,為了控制實(shí)驗(yàn)儀器的投資成本，使用了價(jià)格低廉、易于調(diào)試安裝的自制微帶線器件,替代可編程開(kāi)發(fā)板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中微帶延遲線作為移向器,微帶阻抗匹配模塊作為衰減器。因此,無(wú)需成本高昂的可編程邏輯器件,就能利用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)臺(tái)仿真出波束賦形的效果。在只考慮單波束指向和雙波束指向、帶有一處強(qiáng)噪聲干擾源的典型場(chǎng)景下,只需要設(shè)計(jì)2款微帶線功分器,很大程度上簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作與實(shí)驗(yàn)流程。

2.1 元件仿真與測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)的第一部分為元件仿真與測(cè)試,需要學(xué)生掌握微波技術(shù)和高頻電子線路的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。

首先,利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)L波段一維天線陣列進(jìn)行不同權(quán)重配置下的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖仿真。

其次,仿真出等幅同相饋電和等幅反相饋電功能的兩款威爾金森功分器。該型功分器與基本T形功分器的區(qū)別是在端口間焊接隔離電阻,因此在L波段仍然具有很好的端口隔離度。

在初步仿真完成后,向?qū)W生講解基本的微帶線元件加工工藝,要求學(xué)生掌握簡(jiǎn)單版圖繪制方法,對(duì)業(yè)界的設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程有大體認(rèn)知。在射頻元件測(cè)試中,插入損耗、回波損耗、隔離度等射頻前端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)指標(biāo),在很大程度上決定了整套射頻收發(fā)系統(tǒng)的性能。設(shè)計(jì)仿真工作只是從理論層面驗(yàn)證了理想狀況下參數(shù)設(shè)計(jì)的可行性,而在實(shí)際生產(chǎn)中,加工工藝、尺寸工差、介質(zhì)基板的平整程度、加裝屏蔽腔體等各因素帶來(lái)的散射問(wèn)題,都會(huì)對(duì)射頻元件的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)參數(shù)帶來(lái)不同程度的影響。

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA),能夠保證高精度地給出待測(cè)元件各端口的幅度信息和相位信息。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在諸如射頻元件性能評(píng)估、輻射性能測(cè)試、大規(guī)模天線陣列的診斷和校準(zhǔn)等實(shí)際場(chǎng)景中有著廣泛的應(yīng)用,是射頻測(cè)試必不可缺少的測(cè)量?jī)x器。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)W習(xí)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)射頻元件進(jìn)行儀器校準(zhǔn),對(duì)射頻元件進(jìn)行性能評(píng)測(cè)和故障診斷。

為此,實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)備了不同批次、參數(shù)經(jīng)過(guò)多次微調(diào)的功分器網(wǎng)絡(luò)。某些功分器被事前設(shè)置了故障點(diǎn),例如吸收隔離電阻虛焊、微帶線斷路等,要求學(xué)生進(jìn)行診斷并選擇端口幅度相位一致性滿足誤差標(biāo)準(zhǔn),即幅度電平絕對(duì)差值在0.5 dB以內(nèi)、相位絕對(duì)差值在5°以內(nèi)、端口隔離度在-20 dB以下的威爾金森功分器，進(jìn)行天線陣列的權(quán)重配置。

2.2 收發(fā)系統(tǒng)搭建實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)的第二部分為收發(fā)系統(tǒng)搭建。實(shí)驗(yàn)所使用的射頻實(shí)驗(yàn)臺(tái)集成了組建L波段發(fā)射機(jī)和超外差接收機(jī)所需的所有元件。學(xué)生需要利用高頻電路的相關(guān)知識(shí),通過(guò)接插件組成如圖2所示的收發(fā)系統(tǒng)。發(fā)射臺(tái)利用攝像頭采集視頻信息,經(jīng)過(guò)調(diào)制將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào),再經(jīng)由發(fā)射天線陣列發(fā)送。布置在另一端的接收臺(tái)接收信號(hào),經(jīng)過(guò)下變頻濾波解調(diào)還原視頻信號(hào),并在接收臺(tái)的液晶屏幕上呈現(xiàn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)框圖

2.3 波束賦形實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)的第三部分為波束賦形實(shí)現(xiàn)。該部分實(shí)驗(yàn)是通過(guò)在天線后端分別插入同相和反相兩種合路器,改變天線單元的饋電相位,使得端口饋電相位差分別為0°和180°。軟件仿真結(jié)果表明：當(dāng)進(jìn)行接入同相合路器時(shí),天線陣列的最大輻射在天線陣面的法線方向(見(jiàn)圖3)。此時(shí),若發(fā)射天線和接收天線的法線方向一致,則視頻信號(hào)是最清晰的。

圖3 天線輻射方向圖

分兩步驗(yàn)證波束賦形的空域?yàn)V波效果。

第一步,將接收天線的饋電系統(tǒng)更換為等幅反相(差分饋電)合路器。此時(shí),天線方向圖在陣面法線方向形成零陷；而天線的最大增益方向在方位離軸角40°左右(見(jiàn)圖3(a))?？梢哉J(rèn)為：當(dāng)接收天線后接差分饋電合路器時(shí),由陣面法線方向傳來(lái)的信號(hào)被天線屏蔽濾除。實(shí)驗(yàn)中使用與接收臺(tái)同距離的兩個(gè)載波頻率相同的發(fā)射臺(tái)進(jìn)行發(fā)射。如圖4所示,發(fā)射臺(tái)1發(fā)射來(lái)波信號(hào),發(fā)射臺(tái)2發(fā)射干擾信號(hào)。當(dāng)同時(shí)接收兩發(fā)射臺(tái)天線的信號(hào)時(shí),接收臺(tái)屏幕圖像會(huì)出現(xiàn)串?dāng)_和抖動(dòng)。此時(shí)將發(fā)射臺(tái)2移至接收天線陣面的法線方向,發(fā)現(xiàn)干擾消失,接收臺(tái)屏幕穩(wěn)定顯示來(lái)自發(fā)射臺(tái)1的圖像?？梢则?yàn)證波束賦形的空域?yàn)V波效果。

第二步,根據(jù)天線收發(fā)的互易性原理,即當(dāng)天線無(wú)論用在發(fā)射還是用在接收,其輻射性能和電參數(shù)基本一致。因此,在接收天線端連接同相饋電合路器,在發(fā)射天線端接差分饋電網(wǎng)絡(luò)。將圖4所示的發(fā)射臺(tái)和接收臺(tái)互換,使用1個(gè)發(fā)射臺(tái)、2個(gè)接收臺(tái)的配置。由仿真結(jié)果已知此時(shí)差分饋電的發(fā)射天線最大增益方向在離軸角40°附近。

圖4 空域?yàn)V波驗(yàn)證

3 結(jié)語(yǔ)

通信工程課程對(duì)于教學(xué)內(nèi)容的改革是非常迫切的,教學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃應(yīng)該面向國(guó)家對(duì)于通信工程創(chuàng)新型人才的需求,重視基礎(chǔ)理論教學(xué),加強(qiáng)新理論、新技術(shù)的呈現(xiàn),實(shí)驗(yàn)課教學(xué)更不應(yīng)脫離現(xiàn)代工業(yè)界的技術(shù)發(fā)展。本文提出基于波束賦形的無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)是一次教學(xué)改革實(shí)踐,具有以下4方面特點(diǎn)。

(1) 結(jié)合理論仿真和實(shí)操測(cè)試工作,將抽象的指標(biāo)轉(zhuǎn)換為直觀認(rèn)識(shí),讓學(xué)生對(duì)于生產(chǎn)設(shè)計(jì)流程有大致了解,掌握矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等基本儀器的使用方法。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程都是學(xué)生自己設(shè)計(jì)射頻元件、自己驗(yàn)證,充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

(2) 保持實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與通信工程前沿技術(shù)以及生產(chǎn)一線實(shí)際操作接軌,對(duì)于教師的知識(shí)貯備也有一定的要求。要構(gòu)造新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程,任課教師應(yīng)深入研究前沿科技,設(shè)計(jì)不同階段、不同水平的梯度式實(shí)驗(yàn)方案,提出不同層次的研究問(wèn)題和技術(shù)指標(biāo)。開(kāi)發(fā)基于波束賦形技術(shù)的無(wú)線通信實(shí)驗(yàn),對(duì)于學(xué)生開(kāi)闊視野以及更深層次的研究學(xué)習(xí)大有裨益。

(3) 基于修舊利廢的綠色實(shí)驗(yàn)理念,合理控制實(shí)驗(yàn)成本,使用自制的射頻元件對(duì)射頻實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行升級(jí)。師生共同參與射頻系統(tǒng)的仿真、設(shè)計(jì)、評(píng)估、診斷的全部流程,發(fā)現(xiàn)原有設(shè)備的不足,升級(jí)和自制實(shí)驗(yàn)儀器,或者構(gòu)思出其他替代方案,達(dá)到了練中學(xué)、學(xué)中練的目的,從各方面鍛煉了學(xué)生的工程實(shí)踐能力[11-14]。

(4) 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu),可拓展實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容,包括用FPGA或ARM結(jié)合信道估計(jì)算法設(shè)計(jì)天線的波束控制模塊、設(shè)計(jì)寬帶毫米波段的射頻器件和視頻編解碼部分的算法,還可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整，將不同實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行模塊化綜合。