matlab 均匀圆阵列波束形成_用于LTEA和5G通信的双频天线阵波束成形

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Dual Band Antenna Array for Digital Beamforming in LTE-A and 5G

Mohammad H. Haroun

EDST,Lebanese University, Beirut, Lebanon, Iteam, Universitat Politècnica deValència, València, Spain

Hussam Ayad and Jalal Jomaah

EDST,Lebanese University, Beirut, Lebanon

Marta Cabedo-Fabrés and Miguel Ferrando-Bataller

Iteam, Universitat Politècnica deValència, València, Spain

波束成形是一种相控阵技术，它使得移动通信基站能将更高的功率集中在用户设备(UE)的方向上，从而提供更高的信噪比(SNR)和更高的数据速率。它还可以对来自干扰发射机的信号进行波束置零，以有效地防止信号恶化，进而使得移动端可以与其他网络共享同一频谱并提高频谱效率。本文介绍了一种为1.8GHz和2.6GHz频段设计并经过测试的八阵元线性单极子阵列。测试结果显示其波束指向能力、零点和旁瓣抑制以及多波束成形等指标都达到了设计要求。

全球对无线连接的需求正在迅速增长，到2025年底预计移动通信用户数将达到90亿，其中约26亿将是5G¹。要支持这一快速增长的市场，就需要升级运营商的基础设施。波束成形这种在军用雷达和军事通信系统中早已为人熟知的技术，正在逐步被用于商业移动通信。波束成形可以被认为是一种空间复用的方式。对天线阵列单元在相位和振幅上进行加权，从而实现按需修改辐射方向图的效果。这些调整可以是交互式的，例如在自适应阵列中的用法，也可以是基于事先定义好的波束进行切换。基站可以通过波束成形将其天线增益有的放矢地指向所需的方向，从而高效的与系统中的其他设备进行通信，而且还能同时将其自身与干扰信号隔离开。借此能力进行频谱共享也是可行的。以相同频率运行的两个通信标准将不会互相干扰，因为每个通信标准都可以在对方工作的方向上进行波束置零。

全球移动通信系统(GSM)中首次尝试了将波束成形应用于移动通信。Kuchar等人²提出并测试了配备自适应天线阵列处理器的基站，该基站允许在每个GSM帧中的上行和下行链路中进行全波束自适应调整。在LTE中则是在3GPP版本10中引入了波束成形³。该标准支持无源阵列在水平方向上进行波束成形，还支持有源阵列进行2D和3D的波束成形。在3GPP的后续版本中，波束成形变得越来越重要。版本15中定义的5G新无线电(NR)相当依赖于波束成形和波束管理⁴，而且5G NR标准规范中考虑了在上行和下行链路传输信道中利用波束成形的可能性⁵。该版本还讨论了波束成形的相关要求，例如置零抑制和指向角可调范围⁶。数字波束成形可有效评估到达角(DoA)波束成形算法的性能。

本文介绍了使用多种数字波束成形算法来测试指向能力、置零抑制和旁瓣抑制以及多波束成形的一套完整系统。该系统是基于ADI公司的商用收发机实现的⁷。

系统描述

该系统是在数字域中实现波束成形。将计算出的复数权重系数加权到接收到的基带信号上，因此这个操作需要使用完整的接收机信号链。该系统被设计为工作在1.7-1.9GHz和2.5-2.7GHz的LTE-A和5G NR频段上⁸。5G NR包括称为FR1的6GHz以下的频段和称为FR2的毫米波频段。

阵列单元的数量决定了主波束的方向性及其半功率波束宽度。随着单元数量的增加，方向性增加，同时半功率波束宽度减小¹⁰。该测试台包括一个八单元天线阵列、一个射频前端和一个现场可编程门阵列(FPGA)数字处理器(图1)。天线阵列由宽带单极子组成，它们以均匀的单元间距线性分布。UE发送的RF信号由天线阵列接收。根据UE相对于基站的位置不同，阵列中不同阵元接收到的信号具有不同的相位和幅度。对接收到的信号进行动态加权，可在辐射方向图上产生由权重确定的极值点和零值点。该系统可用于评估和测试水平波束形成算法的性能，也可测试新算法的性能。为此使用了八个完整的接收机链路，并将这些链路产生的八对I/Q信号输出进行数字化采样以便于后处理。波束成形权重的计算以及将其应用于数字基带信号的处理均在FPGA中完成。加权求和后的总信号在辐射方向图上的主波

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