兩個(gè)比一個(gè)好嗎？多波束信號以5G可靠性和吞吐量為目標

在射頻鏈路中，多徑信號通常被認為是一種不受歡迎的噪聲源。加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員顛覆了傳統的思維方式，利用了兩束優(yōu)于一束的優(yōu)勢。

正如您可能知道的，5G一直在努力在快速下載速度和覆蓋率之間建立平衡，這通常是一種權衡。解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)可行的解決方案是研究多路徑信號。

多徑信號會(huì )在接收機處產(chǎn)生破壞性的求和，從而降低信號功率和噪聲之間的關(guān)系。然而，有一種新的方法來(lái)減輕多徑干擾；使用它。

利用多路徑作為功能這是一個(gè)新穎的想法，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員寫(xiě)了一篇關(guān)于如何鈥兩個(gè)梁總比一個(gè)好“本研究利用現代相控陣天線(xiàn)的波束形成能力，將射頻功率分成多個(gè)波束，以?xún)?yōu)化無(wú)線(xiàn)信道算法。

用于多波束毫米波測試的室外DUT裝置。圖片使用由加州大學(xué)圣地亞哥分校

鏈路建立、吞吐量、覆蓋率和可靠性是射頻通信的四個(gè)關(guān)鍵方面。加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員正在對前三個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行現有的研究；然而，他們的重點(diǎn)是在保持高吞吐量的同時(shí)提高可靠性。

在本文中，讓我們深入研究這些研究人員試圖解決的挑戰，他們的解決方案是什么，最后，這個(gè)解決方案的好處和局限性是什么。

由于距離和大氣效應，所有無(wú)線(xiàn)電系統都會(huì )受到衰減的影響。從****機到接收機的信號在不同的頻率下衰減。保守地說(shuō)，5G毫米波（~28ghz）頻段的損耗可以超過(guò)120db/km。

頻率（GHz）和大氣氣體的線(xiàn)性衰減，單位為dB/km。屏幕截圖由紅色和黑色

相控陣是毫米波技術(shù)的一種常見(jiàn)天線(xiàn)類(lèi)型，它還必須解決諸如相位相干性 .

射頻相位控制信號必須具有匹配良好的頻率合成，這通常意味著(zhù)使用相同的本振。每個(gè)信號鏈的電長(cháng)度也會(huì )受到溫差的負面影響。

高方向性天線(xiàn)方向圖是實(shí)現毫米波技術(shù)合理鏈路預算的必要條件；然而，由于鏈路容易出現光束錯位和阻塞，可靠性受到影響。

多波束系統充分利用了多徑效應。

如前所述，希望緩解這兩個(gè)問(wèn)題是加州大學(xué)圣地亞哥分校團隊進(jìn)行的研究的重點(diǎn)。

加州大學(xué)圣地亞哥分校研究人員使用的研究測試平臺在28千兆赫的頻率下運行，400兆赫的帶寬通過(guò)64單元相控陣傳輸。

該系統基于消費者現成（COTS）子系統，兼容5G NR，據說(shuō)與單波束系統相比，產(chǎn)品的“吞吐量可靠性”提高了2.3倍。

多波束改善信噪比。

開(kāi)發(fā)一個(gè)多波束系統需要兩個(gè)主要的硬件功能，相位控制和功率控制，除了新的算法開(kāi)發(fā)。為此，這些研究人員開(kāi)發(fā)了一套算法集，完成了兩個(gè)主要任務(wù)：波束訓練和波束維護。

加州大學(xué)圣地亞哥分校研究人員的“mmReliable”的組成部分。

波束訓練過(guò)程用于確定最大信噪比和吞吐量的最佳路徑，無(wú)論是通過(guò)反射光束還是通過(guò)視線(xiàn)。

然后，利用相位和功率控制[視頻]在相控陣上，多波束技術(shù)可以將更多的能量引導到最小的阻礙角，并建設性地增加相位。據說(shuō)，這種工藝比傳統的單梁系統提高了2.3倍。

這個(gè)解決方案的局限性和好處到底是什么？

總之，校正用戶(hù)移動(dòng)性天線(xiàn)失調和緩解阻塞路徑是該技術(shù)的主要目標。研究數據顯示，與標準mmWave 5G單波束技術(shù)相關(guān)的可靠性有了實(shí)質(zhì)性的提高，同時(shí)總體吞吐量也有所提高。

多波束毫米波的四個(gè)評估。

在效益方面，從最大吞吐量、可靠性、吞吐量可靠性乘積和波束維護探測開(kāi)銷(xiāo)四個(gè)方面進(jìn)行了分析。在每一個(gè)類(lèi)別中，研究都表明了對單光束技術(shù)的全面改進(jìn)。

盡管前景看好，但研究人員承認還有幾個(gè)關(guān)鍵的局限性需要進(jìn)一步研究。

首先，低損耗反射表面的存在是這項技術(shù)發(fā)揮作用的必要特征。

此外，在操作的波束維護階段可能出現的跟蹤錯誤可能需要額外的波束訓練課程，因此存在性能開(kāi)銷(xiāo)。

最后，當前系統為一個(gè)用戶(hù)使用一個(gè)射頻鏈路。研究人員目前正在研究實(shí)現多用戶(hù)場(chǎng)景的方法。

自電子控制天線(xiàn)技術(shù)出現以來(lái)，算法開(kāi)發(fā)是自然的下一步。隨著(zhù)環(huán)境條件的變化，動(dòng)態(tài)跟蹤信噪比（SNR）和優(yōu)化射頻鏈路將成為mmWave技術(shù)商業(yè)化的必要條件。

加州大學(xué)圣地亞哥分校開(kāi)發(fā)的多波束技術(shù)為使用多徑效應作為有益設計標準的可行性提供了堅實(shí)的論據。