基于波束賦形技術的無線通信實驗

柯翔敏

(華僑大學 網絡與教育技術中心, 福建 廈門 361021)

目前,5G移動通信各項標準正在逐步凍結,業界對于下一代移動通信中將要采用的主要技術都已經有了大致共識。2018年,5G獨立組網標準凍結完畢,第一階段的標準化工作已經完成，其中能夠集成于移動端設備的大規模多輸入、多輸出毫米波天線陣列是5G射頻技術的重中之重,依托于毫米波天線陣列的波束賦形技術和高集成度射頻芯片的空口測試也備受關注。為了讓學生能夠對新興通信技術的有直觀的認識,提出了一種引入簡化波束賦形技術的無線通信實驗。

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,對多波束天線陣列有良好的兼容性,并且能夠平滑地進行系統升級。在實際應用場景中,70%的數據業務流量在僅占20%面積的熱點區域內產生。傳統的移動通信在中心商圈、集會場所、交通樞紐、大學校園等人流密集的區域往往會面臨話務負荷高、通信容量不足的問題,對高層建筑物信號覆蓋困難,建筑物密集區域內多徑干擾嚴重,小區邊緣用戶通信質量較低。

通過改變大規模天線陣列的波束形狀,可以在垂直方向形成點對點的多個波束,覆蓋多用戶群,并且根據實際情況動態調整波束寬度和天線增益,補償波束傳播損耗,提高垂直高度的覆蓋率[1-5]。利用空間復用技術可達到在空間域擴展信道容量的目的。面對強信號干擾,自適應波束賦形可以運用算法估計干擾方向,在指定方向形成零點(null),進行空域濾波,從而抑制噪聲,提高鏈路質量。

以一維天線陣列為例,如圖1所示,從來波角度對波束賦形原理進行考量。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是每個天線單元的幅度,φi是每個單元的相位,β是陣列波束的指向。

圖1 一維天線陣列示意圖

可以通過配置各個單元饋電的幅度和相位來改變陣列的波束指向和波束形狀,實現波束賦形。自適應波束形成的權重優化有自適應主波束控制和方向圖零點控制兩方面。主波束控制往往基于最大信噪比準則,考慮陣列接收信號中包含的噪聲成分,在接收陣列輸出的信噪比最高的情況下對陣列權重進行優化；方向圖零點控制優化準則中最常使用的是線性約束最小方差準則(linear constrained minimum variance)。

給定期望用戶方向的天線增益,就保證了接收系統所輸出的期望信號的大小。在此前提下優化陣列權重,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中干擾與噪聲的功率之和最小,實現了對干擾信號的抑制[6]。

格里菲斯最小均方誤差波束賦形算法(Griffiths-LCMV)是一種基于上述優化準則的經典自適應算法。該算法脫胎于最速梯度下降法,它不需要實時進行環境采樣來進行參考信號的估計。該算法的權重向量迭代式(已省略數學推導過程)為

Wk+1=Wk+2μrxd-2μXkYk

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

2 實驗內容及流程

在實際商用環境中,面對大數據業務流量的權重優化計算,需要將自適應波束賦形算法燒制在可編程開發板中,通過可編程開發板控制射頻前端的移相器(phase shifter)和衰減器(attenuator),實現天線陣列的權重配置。但在實驗教學時,不需要做如此大量的數據運算,并且在實驗臺位置相對固定的環境中,也不需要自適應進行天線波束的跟蹤。

鑒于上述兩點,在保證實驗原理一致性的前提下,為了控制實驗儀器的投資成本，使用了價格低廉、易于調試安裝的自制微帶線器件,替代可編程開發板進行實驗。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,無需成本高昂的可編程邏輯器件,就能利用簡單的實驗臺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、帶有一處強噪聲干擾源的典型場景下,只需要設計2款微帶線功分器,很大程度上簡化了實驗的前期準備工作與實驗流程。

2.1 元件仿真與測試實驗

實驗的第一部分為元件仿真與測試,需要學生掌握微波技術和高頻電子線路的相關基礎知識。

首先,利用電磁仿真軟件HFSS對L波段一維天線陣列進行不同權重配置下的遠場方向圖仿真。

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,向學生講解基本的微帶線元件加工工藝,要求學生掌握簡單版圖繪制方法,對業界的設計生產流程有大體認知。在射頻元件測試中,插入損耗、回波損耗、隔離度等射頻前端網絡參數指標,在很大程度上決定了整套射頻收發系統的性能。設計仿真工作只是從理論層面驗證了理想狀況下參數設計的可行性,而在實際生產中,加工工藝、尺寸工差、介質基板的平整程度、加裝屏蔽腔體等各因素帶來的散射問題,都會對射頻元件的實際網絡參數帶來不同程度的影響。

使用矢量網絡分析儀(VNA),能夠保證高精度地給出待測元件各端口的幅度信息和相位信息。矢量網絡分析儀在諸如射頻元件性能評估、輻射性能測試、大規模天線陣列的診斷和校準等實際場景中有著廣泛的應用,是射頻測試必不可缺少的測量儀器。學生通過實驗能夠學習利用矢量網絡分析儀對射頻元件進行儀器校準,對射頻元件進行性能評測和故障診斷。

為此,實驗中準備了不同批次、參數經過多次微調的功分器網絡。某些功分器被事前設置了故障點,例如吸收隔離電阻虛焊、微帶線斷路等,要求學生進行診斷并選擇端口幅度相位一致性滿足誤差標準,即幅度電平絕對差值在0.5 dB以內、相位絕對差值在5°以內、端口隔離度在-20 dB以下的威爾金森功分器，進行天線陣列的權重配置。

2.2 收發系統搭建實驗

實驗的第二部分為收發系統搭建。實驗所使用的射頻實驗臺集成了組建L波段發射機和超外差接收機所需的所有元件。學生需要利用高頻電路的相關知識,通過接插件組成如圖2所示的收發系統。發射臺利用攝像頭采集視頻信息,經過調制將視頻信號轉換為射頻信號,再經由發射天線陣列發送。布置在另一端的接收臺接收信號,經過下變頻濾波解調還原視頻信號,并在接收臺的液晶屏幕上呈現。

圖2 實驗臺系統框圖

2.3 波束賦形實驗

實驗的第三部分為波束賦形實現。該部分實驗是通過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°。軟件仿真結果表明：當進行接入同相合路器時,天線陣列的最大輻射在天線陣面的法線方向(見圖3)。此時,若發射天線和接收天線的法線方向一致,則視頻信號是最清晰的。

圖3 天線輻射方向圖

分兩步驗證波束賦形的空域濾波效果。

第一步,將接收天線的饋電系統更換為等幅反相(差分饋電)合路器。此時,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(見圖3(a))。可以認為：當接收天線后接差分饋電合路器時,由陣面法線方向傳來的信號被天線屏蔽濾除。實驗中使用與接收臺同距離的兩個載波頻率相同的發射臺進行發射。如圖4所示,發射臺1發射來波信號,發射臺2發射干擾信號。當同時接收兩發射臺天線的信號時,接收臺屏幕圖像會出現串擾和抖動。此時將發射臺2移至接收天線陣面的法線方向,發現干擾消失,接收臺屏幕穩定顯示來自發射臺1的圖像。可以驗證波束賦形的空域濾波效果。

第二步,根據天線收發的互易性原理,即當天線無論用在發射還是用在接收,其輻射性能和電參數基本一致。因此,在接收天線端連接同相饋電合路器,在發射天線端接差分饋電網絡。將圖4所示的發射臺和接收臺互換,使用1個發射臺、2個接收臺的配置。由仿真結果已知此時差分饋電的發射天線最大增益方向在離軸角40°附近。

圖4 空域濾波驗證

3 結語

通信工程課程對于教學內容的改革是非常迫切的,教學培養計劃應該面向國家對于通信工程創新型人才的需求,重視基礎理論教學,加強新理論、新技術的呈現,實驗課教學更不應脫離現代工業界的技術發展。本文提出基于波束賦形的無線通信實驗是一次教學改革實踐,具有以下4方面特點。

(1) 結合理論仿真和實操測試工作,將抽象的指標轉換為直觀認識,讓學生對于生產設計流程有大致了解,掌握矢量網絡分析儀等基本儀器的使用方法。整個實驗過程都是學生自己設計射頻元件、自己驗證,充分激發學生的學習熱情。

(2) 保持實驗教學內容與通信工程前沿技術以及生產一線實際操作接軌,對于教師的知識貯備也有一定的要求。要構造新的實驗教學流程,任課教師應深入研究前沿科技,設計不同階段、不同水平的梯度式實驗方案,提出不同層次的研究問題和技術指標。開發基于波束賦形技術的無線通信實驗,對于學生開闊視野以及更深層次的研究學習大有裨益。

(3) 基于修舊利廢的綠色實驗理念,合理控制實驗成本,使用自制的射頻元件對射頻實驗臺進行升級。師生共同參與射頻系統的仿真、設計、評估、診斷的全部流程,發現原有設備的不足,升級和自制實驗儀器,或者構思出其他替代方案,達到了練中學、學中練的目的,從各方面鍛煉了學生的工程實踐能力[11-14]。

(4) 本實驗系統采用模塊化結構,可拓展實驗的內容,包括用FPGA或ARM結合信道估計算法設計天線的波束控制模塊、設計寬帶毫米波段的射頻器件和視頻編解碼部分的算法,還可以進行實驗內容的調整，將不同實驗設計進行模塊化綜合。