毫米波大規(guī)模陣列天線波束掃描研究*

王 舟 ，金紅軍 ，趙懷松

（1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中國電子科技集團公司第五十研究所，上海 200331）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)移動通訊技術(shù)的快速發(fā)展，高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)以及無處不在的通訊需求正呈現(xiàn)出井噴式的增長。用戶對既快速又安全可靠的無線通訊需求不斷增長，而目前的4G網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)只能帶來近似100 Mb/s的傳輸速率，百兆級的通訊服務(wù)已不能滿足未來移動通訊的發(fā)展需求。現(xiàn)階段，低頻段無線電技術(shù)的頻譜資源在開發(fā)中已經(jīng)利用殆盡，換句話說，即使低頻段中的調(diào)制分集復(fù)用技術(shù)再先進，也很難使傳輸速率和傳輸質(zhì)量有實質(zhì)性的提高，也不能滿足目前急劇增長的無線通訊需求[1］。

根據(jù)預(yù)測，未來幾年內(nèi)對無線網(wǎng)絡(luò)通訊業(yè)務(wù)的需求量將是目前的上千倍，而且，在即將到來的5G時代，微基站將代替現(xiàn)有的龐大基站，其定會分布的更密集，對網(wǎng)絡(luò)吞吐量、傳輸質(zhì)量和安全性的要求也將更苛刻。因此，急需提高無線接入網(wǎng)的容量、提高通訊鏈路的傳輸速度、開發(fā)利用高頻段的頻譜資源、拓寬瞬時射頻頻帶。目前使用的第四代蜂窩網(wǎng)絡(luò)多天線技術(shù)，越來越難以負(fù)荷急速增長的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量。而5G通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開展了毫米波大規(guī)模陣列天線技術(shù)的研究，結(jié)合波束賦形技術(shù)不僅能夠獲得高增益高速率，還克服了毫米波路徑損耗嚴(yán)重的問題，所以本文對毫米波大規(guī)模陣列天線中波束掃描技術(shù)進行研究。

1 波束碼本

對于精確的相移和幅度調(diào)整的波束賦形技術(shù)需要大量的數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，而且開銷也比較大，這有違毫米波系統(tǒng)對于低功率低復(fù)雜度的要求。為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，DFT碼本僅生成相移，沒有進行任何幅度調(diào)整。同IEEE802.15.3c中的碼本以及N相位碼本相比[2-3］，DFT碼本設(shè)計更加靈活且在任意波束方向上沒有任何增益損失，文獻[4］給出了其波束向量矩陣的數(shù)學(xué)表達式：

其中m=1∶M；n=1∶N，圖1給出了不同陣元數(shù)的波束圖。

圖1 基于DFT碼本的波束圖

2 波束掃描

2.1 二分掃描

二分掃描算法的思想來源于二分查找算法，其主要思想為：在360度的空間范圍內(nèi)，首先利用較寬的扇區(qū)來覆蓋，然后掃描獲取最優(yōu)扇區(qū)對，再將最優(yōu)扇區(qū)對二分成寬度較細(xì)的兩個波束，然后再掃描獲取最優(yōu)波束，不斷重復(fù)上述操作。在每一次波束細(xì)化的過程中，陣元數(shù)會跟著加倍，當(dāng)產(chǎn)生波束的陣元數(shù)等于實際陣元數(shù)時，二分掃描結(jié)束，最終獲取的波束對即為最優(yōu)波束對。

假設(shè)收發(fā)端的陣元數(shù)目為N，為方便分析，假設(shè)陣元數(shù)目為2p。波束數(shù)目為陣元數(shù)目的2倍，即2p+1。在掃描的過程中，只要在2個扇區(qū)之間掃描即可，掃描次數(shù)為4次。對于陣元數(shù)目為2p的陣列，需要p次的迭代，除首次需要16次的掃描以外，其余僅需要4次，則總共的掃描次數(shù)為4(p+4)=4(log2N+4)次，其掃描復(fù)雜度為o(log2N)。圖2給出了陣元數(shù)目為16，波束數(shù)目為32時二分掃描算法逐步細(xì)化波束過程。

2.2 波束旋轉(zhuǎn)

波束旋轉(zhuǎn)[5］即在原先波束權(quán)值的基礎(chǔ)乘以旋轉(zhuǎn)向量，使得單個波束在一定范圍轉(zhuǎn)動，即兩個波束之間。以下為波束旋轉(zhuǎn)生成3個波束的公式：

圖2 二分掃描過程圖

bm為原來的波束，m=1:M，rk=0:2，以下為波束旋轉(zhuǎn)生成5個波束的公式：

bm為原來的波束，m=1:M，rk=-1:3，圖3給出了波束旋轉(zhuǎn)生成3個和5個波束的波束圖。由圖3可知，波束經(jīng)過小角度的旋轉(zhuǎn)之后可以很好的覆蓋原有波束交界處無波束覆蓋的問題，從而有效避免在波束交界處增益低的問題。波束旋轉(zhuǎn)生成5個波束的方式相比于生成3個波束會更加密集，所以為使后續(xù)的波束掃描仿真具有更明顯的效果，我們會采用波束旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生5個波束的方式。

3 仿真分析

3.1 波束旋轉(zhuǎn)有效性仿真

為方便實驗對比，仿真實驗在發(fā)射端使用32陣元的天線陣列，波束數(shù)目為64，而在接收端產(chǎn)生波束使其指向發(fā)射端某兩個波束中間，在接收端通過比較波束旋轉(zhuǎn)前后獲得的最大信噪比，來驗證波束旋轉(zhuǎn)的有效性，圖4給出了100次的仿真實驗結(jié)果。

圖3 波束旋轉(zhuǎn)

由圖4波束旋轉(zhuǎn)前后的比較可知，波束旋轉(zhuǎn)之后的整體增益明顯高于波束旋轉(zhuǎn)之前，波束旋轉(zhuǎn)之后的增益值基本穩(wěn)定在35 dB至58 dB之間，而波束旋轉(zhuǎn)之前的增益卻2 dB至50 dB之間變化，尤其在第75次實驗中，波束旋轉(zhuǎn)之后將波束旋轉(zhuǎn)前的2 dB拉升到了42 dB，提升了近40 dB,由此可以證明，利用波束旋轉(zhuǎn)可以有效避免波束交界處增益低的問題，使得波束掃描后的最優(yōu)波束具有更大增益。

圖4 波束旋轉(zhuǎn)前后比較

3.2 基于窮舉掃描算法的波束旋轉(zhuǎn)仿真

在窮舉掃描算法最終獲得最優(yōu)波束對之后，利用波束旋轉(zhuǎn)的方式可以來彌補波束交界處低增益的問題，如果窮舉掃描的結(jié)果中出現(xiàn)幾組信噪比相同的最優(yōu)波束對，那么我們將每一組波束對進行波束旋轉(zhuǎn)之后，再選取其中信噪比最大的作為最優(yōu)波束對，由此可知，經(jīng)過波束旋轉(zhuǎn)前后獲得最優(yōu)波束對可能為同一波束對，也有可能不是同一波束對，即當(dāng)接收端波束方向接近發(fā)射端兩波束交界處時。下圖5給出了陣元數(shù)目為32，波束數(shù)目為64時，應(yīng)用波束旋轉(zhuǎn)前后的100次實驗增益結(jié)果。

圖5 基于窮舉掃描算法的波束旋轉(zhuǎn)

3.3 基于二分掃描算法的波束旋轉(zhuǎn)仿真

波束旋轉(zhuǎn)將應(yīng)用在二分掃描每一階段獲取最優(yōu)扇區(qū)對之后，經(jīng)過波束旋轉(zhuǎn)獲取新的最優(yōu)扇區(qū)對，再繼續(xù)執(zhí)行下一階段的掃描。在波束掃描的每一階段使用波束旋轉(zhuǎn)而不是最后一個階段，可以使獲得的增益最大化。圖6給出了陣元數(shù)目為32，波束數(shù)目為64時，波束旋轉(zhuǎn)前后二分掃描算法結(jié)果的100次仿真實驗。

圖6 基于二分掃描算法的波束旋轉(zhuǎn)

由圖6可以看出，實驗結(jié)果得到了與在窮舉掃描算法中類似的效果，但總體優(yōu)化次數(shù)較窮舉掃描算法更多，其中也發(fā)現(xiàn)了波束旋轉(zhuǎn)前后增益差距較大的情況，如仿真中的第8次實驗，從23 dB提升到了49 dB，此情況可能是二分掃描每個階段增益疊加的結(jié)果，因為窮舉掃描中，波束旋轉(zhuǎn)只在獲得最優(yōu)波束對之后旋轉(zhuǎn)，只能在一次波束旋轉(zhuǎn)之后選擇其中最優(yōu)波束對，而在二分掃描過程中，每一階段都實現(xiàn)波束旋轉(zhuǎn)，可能就會出現(xiàn)每一階段在波束旋轉(zhuǎn)之后都獲得了更優(yōu)的波束對，所以會出現(xiàn)如第10次實驗中增益差距較大的情況。由此也說明了波束旋轉(zhuǎn)有效優(yōu)化了掃描效率更高的二分掃描算法。

4 結(jié) 語

本文針對毫米波大規(guī)模陣列天線中波束交界處增益低的問題，在基于DFT波束碼本，窮舉掃描算法以及二分掃描算法，提出利用波束旋轉(zhuǎn)技術(shù)，最高使窮舉掃描增益提升17 dB，二分掃描增益提升26 dB，仿真結(jié)果有效解決波束交界處增益低的問題。