毫米波大规模MIMO阵列技术的研究

【摘要】：随着移动通信中数据业务需求的不断增长,第四代移动通信(4G)已经无法满足人们对网络容量、传输速率以及低时延等的要求。与之相比,第五代移动通信(5G)拥有更高的速率,更好的移动性以及更低的端到端时延。目前,sub-6GHz频段的5G技术已进入商业化应用阶段。为了获得更多的频谱资源以实现更大的通信带宽和更高的速率,5G移动通信正在朝着毫米波频段拓展。5G毫米波采用了基于相控子阵的混合多波束体制,在平衡复杂度、功耗和成本的同时,也极大地限制了其性能。目前研究表明,基于全数字毫米波多波束阵的大规模MIMO将可能成为6G的核心技术。本文主要面向后5G(B5G)和6G通信,开展全数字毫米波大规模MIMO阵列技术研究。主要工作如下:(1)针对B5G/6G毫米波大规模MIMO阵列应用,首次设计并实现了工作于37-42.5GHz频段的64通道全数字多波束阵列。区别于传统的T/R组件模式,采用了发射机与接收机分离的TDD架构,使得阵列可以实现更加灵活的收/发通道配置和硬件分布。毫米波射频前端中的发射模块、接收模块、本振产生电路、天线阵等各个关键部件都实现了良好的性能,可以满足在毫米波频段实现阵列波束成形和高速率高质量通信的需求。同时,针对毫米波大规模MIMO阵列的特点,提出阵列中各个天线单元与其相对应的发射/接收模块之间采用长度不等的馈线进行互连,实现了一种紧凑而高效的互连方式。所研制的全数字Q波段毫米波大规模MIMO阵列系统可用于毫米波通信基站、毫米波信道测量、毫米波测量平台等应用场景。(2)研究了大规模MIMO阵列中长度不等馈电电缆对宽带调制信号波束性能的影响,分析了不等长线缆对于偏离校准频率的信号产生的相位偏移。以Q波段毫米波大规模MIMO阵列为例,计算了宽带调制信号上下边带的边缘频率处不同阵元之间由不等长线缆引入的相位差,并对阵列在调制信号边缘频率处形成不同指向波束时的远场方向图进行了全波仿真与实验研究。结果表明,所提出的馈电方案对阵列在宽带调制信号下的辐射特性影响较小,能够在基本不牺牲阵列波束性能的同时,以较高的空间效率和较低的损耗实现宽带毫米波大规模MIMO阵列中天线与射频模块尺寸差别较大时的互连。(3)研究了大规模MIMO发射阵列与接收阵列的校准方法,并按照所提出的方法对4×16阵元Q波段毫米波大规模MIMO发射阵列与接收阵列分别进行了校准。然后,在此基础上分别对发射与接收阵列进行了单波束扫描实验以及同时多波束的波束赋形实验,验证了所提出的阵列校准方法的正确性和Q波段毫米波大规模MIMO阵列的波束成形能力,并对Q波段大规模MIMO阵列在5G NR宽带调制信号下的空口通信质量进行了测试。实验结果表明:校准后的Q波段大规模MIMO阵列具有很好的空口性能,可以对宽带调制信号实现比较高的调制与解调质量。(4)对毫米波大规模MIMO阵列发生不同数量的通道失效以及失效通道处于不同失效状态时的辐射特性进行了分析和研究。通过系统的计算、仿真与实验,证明了用不含互耦因素的解析公式分析大型阵列失效特性的可行性。首次提出并推导了大规模MIMO阵列部分通道处于失效状态下的方向图参数概率模型,对概率模型的结果和统计分析的结果进行了对比,验证了概率模型的正确性和有效性。所提出的概率模型可以代替基于大量样本的仿真或实验结果进行统计分析的方法,对有不同比例的通道处于不同失效状态时,直接得出阵列主要辐射参数的期望值和方差,实现对阵列辐射特性的快速分析和评估。此外,还分析了不同失效比例和状态下主要辐射特性的概率分布。(5)针对基于IEEE 802.11aj(45GHz)的Wifi应用,设计并实现了该标准下的毫米波短距接入射频前端。所研发的射频前端可根据不同应用场景灵活配置成TDD/FDD工作模式。对该射频前端主要性能指标进行了详细的测试。结果表明,所研制的射频前端具有良好的性能,达到了IEEE 802.11aj(45GHz)高速短距接入系统所需的射频前端的性能指标和应用需求。