>> 未來移動通信論壇-6G毫米波非對稱大規(guī)模陣列架構(gòu)白皮書-250508
| 上傳日期： |
2025/5/8 |
大?。?/td>
| 16130KB |
| 格式： |
pdf 共151頁 |
來源： |
|
| 評級： |
-- |
作者： |
洪偉 |
| 行業(yè)名稱： |
通信 |
| 下載權(quán)限： |
無限制-登錄即可下載 |
|
|
1864年，英國物理學(xué)家麥克斯韋（James Clerk Maxwell）在安培環(huán)路定律、法拉第電磁感應(yīng)定律和高斯定理的基礎(chǔ)上，通過引入位移電流的概念，建立了著名的麥克斯韋方程組，并根據(jù)其在自由空間中的解，首次從理論上預(yù)測了電磁波的存在。1888年，德國物理學(xué)家赫茲（Heinrich Hertz）通過實驗成功驗證了電磁波的存在，為無線電技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。1895年，意大利發(fā)明家馬可尼（GuglielmoMarconi）實現(xiàn)了人類歷史上的首次無線電通信，開啟了無線通信的新紀(jì)元。20世紀(jì)50年代至70年代是移動通信的起步階段，首批商用無線電話系統(tǒng)開始出現(xiàn)，例如美國的AMPS系統(tǒng)（Advanced Mobile Phone System，模擬蜂窩系統(tǒng)），該系統(tǒng)于1973年首次投入商用，標(biāo)志著移動通信進(jìn)入實用化階段。20世紀(jì)80年代至今，數(shù)字移動通信逐漸成為主流，移動通信技術(shù)經(jīng)歷了從1G~4G的迭代升級，目前已進(jìn)入5G時代。與此同時，6G技術(shù)的研究與標(biāo)準(zhǔn)制定也在全球范圍內(nèi)如火如荼地展開。
從麥克斯韋的理論預(yù)言到赫茲的實驗驗證，再到馬可尼的無線電通信實踐，以及現(xiàn)代移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信技術(shù)的演進(jìn)不僅深刻改變了人類的生活方式，也為全球信息化進(jìn)程提供了強大的技術(shù)支撐。通信技術(shù)的演進(jìn)史本質(zhì)上是多維資源（頻域、時域、空域、碼域）持續(xù)開發(fā)與整合的過程。在技術(shù)代際變遷中，4G時代成為重要分水嶺：此前無線通信主要采用單輸入單輸出（SISO）架構(gòu)，而4G時代則全面轉(zhuǎn)向多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)范式。在SISO系統(tǒng)中，信道容量遵循香農(nóng)定理約束，其提升路徑主要受限于兩大物理瓶頸：一是頻譜資源制約下的帶寬擴展，二是器件工藝限制下的信噪比提升。MIMO架構(gòu)突破性地引入了第三維度增益－通過多數(shù)據(jù)流空間復(fù)用，在同等頻譜資源條件下實現(xiàn)系統(tǒng)容量數(shù)量級躍升。傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)的實現(xiàn)基于獨立射頻通道與天線單元，其設(shè)計原則強調(diào)天線間距盡可能大以降低信號相關(guān)性。通過空間信道矩陣實現(xiàn)信號交叉，接收端通過分集合并提升信噪比，或通過空間復(fù)用倍增數(shù)據(jù)流，前者優(yōu)化傳輸可靠性，后者大幅提升系統(tǒng)容量。5G引入了大規(guī)模MIMO（Massive MIMO）系統(tǒng)架構(gòu)。這時，各個射頻通道和天線單元之間不再是獨立的，而是作為一個陣列，天線單元之間的間距通常約為二分之一波長，通過在空間產(chǎn)生多個高增益窄波束實現(xiàn)多個高速數(shù)據(jù)流的傳輸，以大幅提高系統(tǒng)容量。面向6G時代100Gbps+的超高速率需求，技術(shù)演進(jìn)呈現(xiàn)雙軌突破：在頻譜維度向毫米波（mmWave）甚至太赫茲（THz）頻段延伸，突破傳統(tǒng)sub-6GHz頻譜的資源瓶頸；在空域維度采用大規(guī)模有源一體化陣列，通過同時生成數(shù)百個波束實現(xiàn)超大規(guī)模空間復(fù)用。因此，毫米波與太赫茲大規(guī)模陣列技術(shù)將成為未來無線通信系統(tǒng)的核心使能技術(shù)。
實現(xiàn)毫米波與太赫茲大規(guī)模波束成形陣列的方法有很多，大致可分為三類：模擬波束成形陣列技術(shù)、數(shù)字波束成形陣列技術(shù)和混合波束成形陣列技術(shù)。其中模擬波束成形陣列包含無源波束成形陣列和有源波束成形陣列兩類分支，后者又可細(xì)化為射頻移相、中頻移相及本振移相等技術(shù)路徑。數(shù)字波束成形陣列則又可分化出對稱與非對稱全數(shù)字陣列架構(gòu)?；旌喜ㄊ尚侮嚵袆t可衍生出各種細(xì)化的陣列架構(gòu)，典型的如：射頻移相相控子陣與數(shù)字域波束成形相結(jié)合的混合波束成形陣列架構(gòu)、無源波束成形網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字域波束成形相結(jié)合的混合多波束陣列架構(gòu)等。目前，5G毫米波基站采用的主要是射頻移相相控子陣與數(shù)字域波束成形相結(jié)合的混合波束成形大規(guī)模MIMO陣列架構(gòu)，其每個二維毫米波相控子陣連接一路上下變頻器，然后在數(shù)字域再進(jìn)行一次波束成形，這將導(dǎo)致波束調(diào)控自由度受限。因此實際部署中常舍棄數(shù)字域波束成形環(huán)節(jié)，以保持每個子陣波束的獨立調(diào)控能力，但會導(dǎo)致每個波束僅能獲得子陣增益，無法獲得全口徑增益。值得注意的是，全數(shù)字波束成形陣列（含對稱/非對稱架構(gòu)）具備支撐數(shù)十至數(shù)百個并發(fā)數(shù)據(jù)流的能力，這將帶來系統(tǒng)容量的數(shù)量級提升。盡管從性能上講，對稱全數(shù)字波束成形陣列架構(gòu)是所有波束成形陣列中最佳的陣列架構(gòu)，但其瓶頸問題有：大量高速ADC、海量數(shù)據(jù)的實時處理導(dǎo)致系統(tǒng)成本、功耗和復(fù)雜度偏高。為了克服上述對稱全數(shù)字大規(guī)模波束成形陣列架構(gòu)的成本、功耗和復(fù)雜度等瓶頸問題，東南大學(xué)洪偉教授團隊于2018年提出了非對稱全數(shù)字大規(guī)模波束成形陣列架構(gòu)，在逼近對稱全數(shù)字波束成形陣列架構(gòu)性能的同時，大幅度降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，是一種次優(yōu)的大規(guī)模波束成形陣列架構(gòu)，有望成為支撐實現(xiàn)6G通信愿景的重要核心技術(shù)。
本白皮書將介紹毫米波非對稱波束成形陣列架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)驗證方面的研究進(jìn)展，期望能對從事毫米波與太赫茲技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)者、工程師和學(xué)生有所裨益。
|
|
