基于波束赋形技术的无线通信实验

柯翔敏

(华侨大学 网络与教育技术中心, 福建 厦门 361021)

目前,5G移动通信各项标准正在逐步冻结,业界对于下一代移动通信中将要采用的主要技术都已经有了大致共识。2018年,5G独立组网标准冻结完毕,第一阶段的标准化工作已经完成，其中能够集成于移动端设备的大规模多输入、多输出毫米波天线阵列是5G射频技术的重中之重,依托于毫米波天线阵列的波束赋形技术和高集成度射频芯片的空口测试也备受关注。为了让学生能够对新兴通信技术的有直观的认识,提出了一种引入简化波束赋形技术的无线通信实验。

1 波束赋形基本原理及作用

波束赋形是5G通信的核心技术,对多波束天线阵列有良好的兼容性,并且能够平滑地进行系统升级。在实际应用场景中,70%的数据业务流量在仅占20%面积的热点区域内产生。传统的移动通信在中心商圈、集会场所、交通枢纽、大学校园等人流密集的区域往往会面临话务负荷高、通信容量不足的问题,对高层建筑物信号覆盖困难,建筑物密集区域内多径干扰严重,小区边缘用户通信质量较低。

通过改变大规模天线阵列的波束形状,可以在垂直方向形成点对点的多个波束,覆盖多用户群,并且根据实际情况动态调整波束宽度和天线增益,补偿波束传播损耗,提高垂直高度的覆盖率[1-5]。利用空间复用技术可达到在空间域扩展信道容量的目的。面对强信号干扰,自适应波束赋形可以运用算法估计干扰方向,在指定方向形成零点(null),进行空域滤波,从而抑制噪声,提高链路质量。

以一维天线阵列为例,如图1所示,从来波角度对波束赋形原理进行考量。阵元间距为d,相邻单元波程差ΔL=d·sinβ,则一维线阵的阵因子为

其中wi是每个天线单元的幅度,φi是每个单元的相位,β是阵列波束的指向。

图1 一维天线阵列示意图

可以通过配置各个单元馈电的幅度和相位来改变阵列的波束指向和波束形状,实现波束赋形。自适应波束形成的权重优化有自适应主波束控制和方向图零点控制两方面。主波束控制往往基于最大信噪比准则,考虑阵列接收信号中包含的噪声成分,在接收阵列输出的信噪比最高的情况下对阵列权重进行优化；方向图零点控制优化准则中最常使用的是线性约束最小方差准则(linear constrained minimum variance)。

给定期望用户方向的天线增益,就保证了接收系统所输出的期望信号的大小。在此前提下优化阵列权重,使得接收阵列天线总的输出功率最小。这就意味着接收天线阵列的输出信号中干扰与噪声的功率之和最小,实现了对干扰信号的抑制[6]。

格里菲斯最小均方误差波束赋形算法(Griffiths-LCMV)是一种基于上述优化准则的经典自适应算法。该算法脱胎于最速梯度下降法,它不需要实时进行环境采样来进行参考信号的估计。该算法的权重向量迭代式(已省略数学推导过程)为

Wk+1=Wk+2μrxd-2μXkYk

其中Wk+1和Wk分别为第k+1次和第k次迭代的阵列权重向量,μ为迭代步长,rxd是来波信号x(t)与参考信号d(t)的互相关函数。而参考信号d(t)仅仅与期望的用户信号相关,与噪声和干扰信号不相关,Yk=WkXk是接收阵列的输出信号[7-10]。根据权重向量对天线阵列进行配置,就能使天线波束自动跟踪用户方位,同时屏蔽其他方向的干扰。

2 实验内容及流程

在实际商用环境中,面对大数据业务流量的权重优化计算,需要将自适应波束赋形算法烧制在可编程开发板中,通过可编程开发板控制射频前端的移相器(phase shifter)和衰减器(attenuator),实现天线阵列的权重配置。但在实验教学时,不需要做如此大量的数据运算,并且在实验台位置相对固定的环境中,也不需要自适应进行天线波束的跟踪。

鉴于上述两点,在保证实验原理一致性的前提下,为了控制实验仪器的投资成本，使用了价格低廉、易于调试安装的自制微带线器件,替代可编程开发板进行实验。其中微带延迟线作为移向器,微带阻抗匹配模块作为衰减器。因此,无需成本高昂的可编程逻辑器件,就能利用简单的实验台仿真出波束赋形的效果。在只考虑单波束指向和双波束指向、带有一处强噪声干扰源的典型场景下,只需要设计2款微带线功分器,很大程度上简化了实验的前期准备工作与实验流程。

2.1 元件仿真与测试实验

实验的第一部分为元件仿真与测试,需要学生掌握微波技术和高频电子线路的相关基础知识。

首先,利用电磁仿真软件HFSS对L波段一维天线阵列进行不同权重配置下的远场方向图仿真。

其次,仿真出等幅同相馈电和等幅反相馈电功能的两款威尔金森功分器。该型功分器与基本T形功分器的区别是在端口间焊接隔离电阻,因此在L波段仍然具有很好的端口隔离度。

在初步仿真完成后,向学生讲解基本的微带线元件加工工艺,要求学生掌握简单版图绘制方法,对业界的设计生产流程有大体认知。在射频元件测试中,插入损耗、回波损耗、隔离度等射频前端网络参数指标,在很大程度上决定了整套射频收发系统的性能。设计仿真工作只是从理论层面验证了理想状况下参数设计的可行性,而在实际生产中,加工工艺、尺寸工差、介质基板的平整程度、加装屏蔽腔体等各因素带来的散射问题,都会对射频元件的实际网络参数带来不同程度的影响。

使用矢量网络分析仪(VNA),能够保证高精度地给出待测元件各端口的幅度信息和相位信息。矢量网络分析仪在诸如射频元件性能评估、辐射性能测试、大规模天线阵列的诊断和校准等实际场景中有着广泛的应用,是射频测试必不可缺少的测量仪器。学生通过实验能够学习利用矢量网络分析仪对射频元件进行仪器校准,对射频元件进行性能评测和故障诊断。

为此,实验中准备了不同批次、参数经过多次微调的功分器网络。某些功分器被事前设置了故障点,例如吸收隔离电阻虚焊、微带线断路等,要求学生进行诊断并选择端口幅度相位一致性满足误差标准,即幅度电平绝对差值在0.5 dB以内、相位绝对差值在5°以内、端口隔离度在-20 dB以下的威尔金森功分器，进行天线阵列的权重配置。

2.2 收发系统搭建实验

实验的第二部分为收发系统搭建。实验所使用的射频实验台集成了组建L波段发射机和超外差接收机所需的所有元件。学生需要利用高频电路的相关知识,通过接插件组成如图2所示的收发系统。发射台利用摄像头采集视频信息,经过调制将视频信号转换为射频信号,再经由发射天线阵列发送。布置在另一端的接收台接收信号,经过下变频滤波解调还原视频信号,并在接收台的液晶屏幕上呈现。

图2 实验台系统框图

2.3 波束赋形实验

实验的第三部分为波束赋形实现。该部分实验是通过在天线后端分别插入同相和反相两种合路器,改变天线单元的馈电相位,使得端口馈电相位差分别为0°和180°。软件仿真结果表明：当进行接入同相合路器时,天线阵列的最大辐射在天线阵面的法线方向(见图3)。此时,若发射天线和接收天线的法线方向一致,则视频信号是最清晰的。

图3 天线辐射方向图

分两步验证波束赋形的空域滤波效果。

第一步,将接收天线的馈电系统更换为等幅反相(差分馈电)合路器。此时,天线方向图在阵面法线方向形成零陷；而天线的最大增益方向在方位离轴角40°左右(见图3(a))。可以认为：当接收天线后接差分馈电合路器时,由阵面法线方向传来的信号被天线屏蔽滤除。实验中使用与接收台同距离的两个载波频率相同的发射台进行发射。如图4所示,发射台1发射来波信号,发射台2发射干扰信号。当同时接收两发射台天线的信号时,接收台屏幕图像会出现串扰和抖动。此时将发射台2移至接收天线阵面的法线方向,发现干扰消失,接收台屏幕稳定显示来自发射台1的图像。可以验证波束赋形的空域滤波效果。

第二步,根据天线收发的互易性原理,即当天线无论用在发射还是用在接收,其辐射性能和电参数基本一致。因此,在接收天线端连接同相馈电合路器,在发射天线端接差分馈电网络。将图4所示的发射台和接收台互换,使用1个发射台、2个接收台的配置。由仿真结果已知此时差分馈电的发射天线最大增益方向在离轴角40°附近。

图4 空域滤波验证

3 结语

通信工程课程对于教学内容的改革是非常迫切的,教学培养计划应该面向国家对于通信工程创新型人才的需求,重视基础理论教学,加强新理论、新技术的呈现,实验课教学更不应脱离现代工业界的技术发展。本文提出基于波束赋形的无线通信实验是一次教学改革实践,具有以下4方面特点。

(1) 结合理论仿真和实操测试工作,将抽象的指标转换为直观认识,让学生对于生产设计流程有大致了解,掌握矢量网络分析仪等基本仪器的使用方法。整个实验过程都是学生自己设计射频元件、自己验证,充分激发学生的学习热情。

(2) 保持实验教学内容与通信工程前沿技术以及生产一线实际操作接轨,对于教师的知识贮备也有一定的要求。要构造新的实验教学流程,任课教师应深入研究前沿科技,设计不同阶段、不同水平的梯度式实验方案,提出不同层次的研究问题和技术指标。开发基于波束赋形技术的无线通信实验,对于学生开阔视野以及更深层次的研究学习大有裨益。

(3) 基于修旧利废的绿色实验理念,合理控制实验成本,使用自制的射频元件对射频实验台进行升级。师生共同参与射频系统的仿真、设计、评估、诊断的全部流程,发现原有设备的不足,升级和自制实验仪器,或者构思出其他替代方案,达到了练中学、学中练的目的,从各方面锻炼了学生的工程实践能力[11-14]。

(4) 本实验系统采用模块化结构,可拓展实验的内容,包括用FPGA或ARM结合信道估计算法设计天线的波束控制模块、设计宽带毫米波段的射频器件和视频编解码部分的算法,还可以进行实验内容的调整，将不同实验设计进行模块化综合。