有限量化精度移相器对毫米波平面相阵波束控制性能的影响
发布时间：2020-07-15 02:18
【摘要】：在毫米波频段由于路径损耗较大,通常采用波束成形来提高链路增益以建立稳定的连接。通常在低频段采用的数字波束成形,由于每根天线配置一条射频链路,功耗和成本较高。采用相阵架构实现射频波束成形是一种折衷的选择。本文研究了毫米波信道下移相器有限的量化精度在平面相阵单流波束控制(beam steering)中带来的性能损失。首先推导了阵列增益损失与移相器误差方差之间的理论关系,然后通过蒙特卡洛仿真验证该理论结果。从仿真结果可以看出平面相阵的增益损失可以通过增加移相器精度来减小。在通常应用中,4比特移相器在实现平面相阵波束控制时提供了足够的增益。
【图文】：
讨论了有限精度移相器对波束成形带来的增益损失，但未将信道情况纳入考虑范围。文献［11］则讨论了有限精度的移相器对波束指向带来的误差，并指出指向误差将随移相器精度的增加而减少。本文研究了在采用波束控制(beamsteering)的情况下，毫米波信道中平面相阵的增益损失与移相器输出的误差方差之间的理论关系，并且理论值在蒙特卡洛仿真中得到验证。仿真指出，随着移相器量化精度的增加，平面相阵单流波束控制的增益损失在减校在实际应用中4比特移相器可以在通信链路中提供足够的增益。2系统模型2．1相阵结构图1是毫米波相阵的示意图，其中左边是M1×M2平面阵列接收机，右边是一个N1×N2平面阵列发射机，它们可应用于室内无线应用中，分别作为无线接入点和移动终端。w，c(w∈CN1×N2，c∈CM1×M2)分别为发射机端的波束控制矢量以及接收机端的合并矢量。H∈CM1M2×N1N2是毫米波信道矩阵，n∈M1M2×1为加性高斯白噪声(additivewhitegaussiannoise，AWGN)，s为发送符号并归一化为E(s2)=1，则接收信号可以表示为:y=cHHws+cHn(1)毫米波链路的接收信号的信噪比可以表示为:SNＲ=cHHwscHn2(2)链路的频谱效率则可以表示为［12］:C=log2det(1+SNＲ)bps/Hz(3)图1毫米波相阵结构Fig．1Themillimeterwavephasedarray2．2毫米波信道毫米波信道通常采用的是扩展的S-V(SalehValenzuela)模型，信号从发射机到接收机将经过多个散射簇传播，每个簇包含多个信号路径。为了便于分析，假设每个散射簇只有一条路径，则离散时间窄带信道可以表示为［13-14］:H=NtNri酟∑Ll=1αlar，l(θr，l)at，l
移相器输出会有随机误差并对波束成形带来性能损失。误差有多种分布，比如高斯分布，均匀分布等。为了简化分析，在本文中移相器的输出随机误差服从I．I．D(inde-pendentidenticaldistributed)均匀分布。在一个p比特的移相器中，最小的输出步长是2p/2p。因此对于p比特的移相器，量化误差是在［－p/2pp/2p］中均匀分布，对于在(－CC)中均匀分布的随机变量，其方差可以表示为:σ=E［x2］=C23(8)因此对于量化精度为p的移相器，其量化误差的方差可以表示为:σ2p=p23×22p(9)图2所示为理想移相器和实际均匀量化移相器的输出比较图。可以看出，理想移相器可以线性输出而均匀量化移相器则是阶梯型的输出。图2实际移相器与理想移相器的输出比较Fig．2Outputofactualphaseshifterandidealphaseshifter3移相器量化误差对波束控制增益的影响天线阵在无线通信中广泛使用并用来实现多种增益。在MIMO系统中，天线阵可以提供复用增益以提高传输速率或者提供分集增益以建立稳定的连接。另外，也可以用天线阵来实现波束成形以提高接收机的信噪比。在毫米波频段，路径损耗较大并且功放的输出功率有限，因此在通信链路中采用波束成形以建立稳定的连接是很有必要的。为了分析方便，本文研究波束控制(beamsteering)的情形。文献［5］指出毫米波信道中实现单流波束控制最优权重矢量为最大增益路径所对应的阵列响应，即发射端波束控制矢量w和接收端的合并矢量c可以表示为:w=at，1(θt，1)(10)c=ar，1(θr，1)(11)此处at，1(θt，1)，ar，1(θr，1)分别代表公式(4)中的路径1发射端和接收端的阵列响应向量。3．1权重向量与阵列响应的正交性质在分析由量化精度带来的?
Ｔ诒窘诮鄮橹ふ庑├?论结果。在仿真中，毫米波信道将由(4)产生，仿真中信道具有四条路径，信道增益分别为［α1α2α3α4］=［0．i
本文编号：2755826
【图文】：
讨论了有限精度移相器对波束成形带来的增益损失，但未将信道情况纳入考虑范围。文献［11］则讨论了有限精度的移相器对波束指向带来的误差，并指出指向误差将随移相器精度的增加而减少。本文研究了在采用波束控制(beamsteering)的情况下，毫米波信道中平面相阵的增益损失与移相器输出的误差方差之间的理论关系，并且理论值在蒙特卡洛仿真中得到验证。仿真指出，随着移相器量化精度的增加，平面相阵单流波束控制的增益损失在减校在实际应用中4比特移相器可以在通信链路中提供足够的增益。2系统模型2．1相阵结构图1是毫米波相阵的示意图，其中左边是M1×M2平面阵列接收机，右边是一个N1×N2平面阵列发射机，它们可应用于室内无线应用中，分别作为无线接入点和移动终端。w，c(w∈CN1×N2，c∈CM1×M2)分别为发射机端的波束控制矢量以及接收机端的合并矢量。H∈CM1M2×N1N2是毫米波信道矩阵，n∈M1M2×1为加性高斯白噪声(additivewhitegaussiannoise，AWGN)，s为发送符号并归一化为E(s2)=1，则接收信号可以表示为:y=cHHws+cHn(1)毫米波链路的接收信号的信噪比可以表示为:SNＲ=cHHwscHn2(2)链路的频谱效率则可以表示为［12］:C=log2det(1+SNＲ)bps/Hz(3)图1毫米波相阵结构Fig．1Themillimeterwavephasedarray2．2毫米波信道毫米波信道通常采用的是扩展的S-V(SalehValenzuela)模型，信号从发射机到接收机将经过多个散射簇传播，每个簇包含多个信号路径。为了便于分析，假设每个散射簇只有一条路径，则离散时间窄带信道可以表示为［13-14］:H=NtNri酟∑Ll=1αlar，l(θr，l)at，l
移相器输出会有随机误差并对波束成形带来性能损失。误差有多种分布，比如高斯分布，均匀分布等。为了简化分析，在本文中移相器的输出随机误差服从I．I．D(inde-pendentidenticaldistributed)均匀分布。在一个p比特的移相器中，最小的输出步长是2p/2p。因此对于p比特的移相器，量化误差是在［－p/2pp/2p］中均匀分布，对于在(－CC)中均匀分布的随机变量，其方差可以表示为:σ=E［x2］=C23(8)因此对于量化精度为p的移相器，其量化误差的方差可以表示为:σ2p=p23×22p(9)图2所示为理想移相器和实际均匀量化移相器的输出比较图。可以看出，理想移相器可以线性输出而均匀量化移相器则是阶梯型的输出。图2实际移相器与理想移相器的输出比较Fig．2Outputofactualphaseshifterandidealphaseshifter3移相器量化误差对波束控制增益的影响天线阵在无线通信中广泛使用并用来实现多种增益。在MIMO系统中，天线阵可以提供复用增益以提高传输速率或者提供分集增益以建立稳定的连接。另外，也可以用天线阵来实现波束成形以提高接收机的信噪比。在毫米波频段，路径损耗较大并且功放的输出功率有限，因此在通信链路中采用波束成形以建立稳定的连接是很有必要的。为了分析方便，本文研究波束控制(beamsteering)的情形。文献［5］指出毫米波信道中实现单流波束控制最优权重矢量为最大增益路径所对应的阵列响应，即发射端波束控制矢量w和接收端的合并矢量c可以表示为:w=at，1(θt，1)(10)c=ar，1(θr，1)(11)此处at，1(θt，1)，ar，1(θr，1)分别代表公式(4)中的路径1发射端和接收端的阵列响应向量。3．1权重向量与阵列响应的正交性质在分析由量化精度带来的?
Ｔ诒窘诮鄮橹ふ庑├?论结果。在仿真中，毫米波信道将由(4)产生，仿真中信道具有四条路径，信道增益分别为［α1α2α3α4］=［0．i
本文编号：2755826
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2755826.html
