Current Issue: <FITEE>

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering (former title: Journal of Zhejiang University SCIENCE C (Computers & Electronics), 2010-2014)

ISSN 2095-9184 (print); ISSN 2095-9230 (online); CN 33-1389/TP; Monthly.


FITEE is an international peer-reviewed journal indexed by SCI-E, Ei Compendex, DBLP, IC, Scopus, JST, CSA, etc. It covers research in Electrical and Electronic Engineering, including Computer Science, Information Sciences, Control, Automation, Telecommunications, and related disciplines.

Impact factor: 0.308 (2011), 0.297 (2012), 0.380 (2013), 0.415 (2014), 0.392 (2015), 0.622 (2016), 0.910 (2017), 1.033 (2018).

 


Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering

ISSN 2095-9184 (print), ISSN 2095-9230 (online), monthly

   Cover:  <280>
      
Contents:  <216>

<<<                         CONTENTS                         >>>

Special Issue on High-Throughput Millimeter-Wave Wireless Communications

Guest Editor-in-Chief: Wei HONG; Guest Editor-in-Chief Assistants: Guangrong YUE and Haiming WANG; Guest Editors: Xiaohu GE, etc.

Editorial

Editorial: High-throughput millimeter-wave wireless communications

Wei Hong, Guangrong Yue, Xiaohu Ge, Haiming Wang

DOI: 10.1631/FITEE.2120000 Downloaded: 464 Clicked: 970 Cited: 0 Commented: 0(p.437-440) <Full Text>

Review Articles

Review Article: Millimeter-wave wireless communications for home network in fiber-to-the-room scenario

Chao He, Zhixiong Ren, Xiang Wang, Yan Zeng, Jian Fang, Debin Hou, Le Kuai, Rong Lu, Shilin Yang, Zhe Chen, Jixin Chen

DOI: 10.1631/FITEE.2000440 Downloaded: 750 Clicked: 1446 Cited: 0 Commented: 0(p.441-456) <Full Text>   <PPT>  578

Chinese summary   <26>  光纤到屋场景下的Q波段毫米波通信


关键词组:

贺超1,任志雄1,王祥1,曾焱1,方箭2,侯德彬3,蒯乐3
陆容3,杨仕林3,陈喆3,陈继新3
1华为技术有限公司,中国深圳市,518129
2国家无线电监测中心,中国北京市,100037
3东南大学毫米波国家重点实验室,中国南京市,210096

概要:毫米波技术无论在室外长距离通信还是室内短距离通信中都获得了广泛关注和深入研究。受限于高路损与穿墙损耗,毫米波室内覆盖是关键难点问题。近两年,随着第五代固定网络接入技术(Fifth generation fixed networks,F5G)的兴起并提出光纤到屋(fiber-to-the-room,FTTR)技术,无疑为解决毫米波室内覆盖提供了强有力手段。依赖于铺设到每个房间的光纤基础设施,FTTR为大通量毫米波通信创造了超大带宽的连接通道,使得毫米波可以全面高效覆盖每个房间。同时,毫米波频段的高穿墙损耗反而为消除跨房间无线通信系统间的干扰创造了有利条件,从而为大通量零干扰家庭无线接入建立基础。
为推广毫米波技术应用,中国无线电监管机构于2013年发布Q波段(42-48GHz)频谱用于室内无线接入,并由东南大学洪伟教授牵头制订Q-LINKPAN和IEEE 802.11aj通信标准。受益于单载波体制设计,该标准减少了对射频器件动态范围要求,降低了毫米波技术商用门槛。本文首先对近20年家庭接入技术进行回顾,包括非对称双绞线、电力线、同轴线和光纤接入技术,然后介绍了毫米波无线局域网技术,重点分析了Q波段毫米波通信物理层链路、Q波段毫米波射频芯片现状、毫米波天线设计,结合当前云虚拟现实(could virtual reality, cloud VR)等新应用讨论了产品化节奏,最后对Q波段毫米波样机和测试结果进行了介绍。文末对于FTTR新架构下的毫米波技术挑战进行了展望,对包括波束成形、漫游、高效率射频天线设计、精简协议与系统集成、标准化与非通信应用研究等将会是家用毫米波技术持续发展的重要课题。
IEEE 802.11aj标准主要支持单载波(single carrier, SC)与正交频分复用(OFDM)两种通信体制,通过引入单载波体制降低了信号峰均比进而降低对射频器件动态范围要求。通信模板最大支持64-QAM,在4条空间流情况下可以支持14 Gb/s的峰值速率。当前毫米波功放效率不高,为进一步对抗路损、高增益高效率的CMOS PA、全集成天线设计以及波束成形与跟踪等技术需要持续考虑。
Cloud VR类应用对于网络质量提出了更高要求,在2019年VR分级标准中,旗舰级VR需要端到端3 Gb/s以上带宽和5 ms以内的时延。为保证Cloud VR业务体验,欧洲电信标准化组织(ETSI)提出专门针对云VR的切片架构,由此成为家用毫米波通信的重要抓手。当前光接入网络正大范围从GPON向10G-PON迁移,为高带宽毫米波接入奠定了回传网络基础。
当工作在540 MHz和1080 MHz带宽下时,Q波段毫米波样机收发环回信噪比分别可达25 dB和20 dB,在16-QAM@1080MHz调制模板情况下可实现单流2 Gb/s通信速率,当工作在64-QAM时,通过4×4 MIMO最终可支持10 Gb/s以上速率。

Review Article: Integrated communication and localization in millimeter-wave systems

Jie Yang, Jing Xu, Xiao Li, Shi Jin, Bo Gao

DOI: 10.1631/FITEE.2000505 Downloaded: 668 Clicked: 1286 Cited: 0 Commented: 0(p.457-470) <Full Text>   <PPT>  565

Chinese summary   <19>  毫米波系统中的通信定位一体化技术

杨杰1,徐靖1,李潇1,金石1,高波2,3
1东南大学移动通信国家重点实验室,中国南京市,210096
2中兴通讯股份有限公司,中国深圳市,518001
3移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室,中国深圳市,518001
概要:随着第五代(5G)移动通信系统的商业化,关于5G和6G移动通信系统的演进也已经展开了广泛的研究。未来的移动通信系统显然正朝着更加智能化和软件可重新配置的方向发展,它可以提供万物互联能力,并且能感知、控制和优化无线环境。因此,通过利用毫米波的高定向传输特性来整合通信与定位是一个很有前景的方法。这种方法不仅扩展了通信系统的定位能力,而且提供了增强通信的新概念和新机会。本文解释了毫米波系统中的通信定位一体化技术,该技术共享同一套硬件架构和算法体系;阐述了基于超大规模天线阵列和模型驱动神经网络的通信定位一体化技术;并为定位辅助的毫米微波通信提出全面的指导。
通信定位一体化技术通过共享无线通信的基础设施和时间-频率-空间资源,来实现通信和定位的先进技术在硬件架构和算法系统层面上的高度整合。通信和定位的协同能通过高速率、低延时的毫米波通信系统的信息交互能力来实现。通信和定位的共同设计打破了二者单独运行的传统模式,并在一个系统中实现了高吞吐量的通信和高精度的定位。因此,通过信道估计获得的信道状态信息(CSI)不仅是通信的基础,也含有发射端、接收端和周围散射体的位移和移动的附带信息。毫米波系统中的通信定位一体化是基于CSI或CSI相关参数的。然后,更加可靠的通信能提供定位所需要的更加精确的测量,通信和定位的相互辅助与增强就能以迭代的方式实现。此外,更加精确的位置估计减少了通信开销。
毫米波通信系统中的定位旨在基于基站或锚节点发送或接收的一组无线参考信号,估计用户设备或代理节点的位置、速度和方向以及可能的散射体。通过复用毫米波通信的基础设施来部署定位既方便又划算。该过程重复利用了通信系统接收端已有的实时信道状态信息。
(1)基于超大天线阵的定位
随着天线维度逐渐上升,天线阵列辐射的近场区的距离也逐渐增大,因此用户和重要的散射体就更可能会被定位在阵列的近场区。基于球面波的大均匀线性阵列的标准响应模型,允许使用新参数表征路径,即在平面波的假设之下,除了常规参数之外,源和参考点之间的距离也可以用来表征路径。因此,近场效应有利于用波前曲率共同估计源的距离和方向。这个过程可以提高定位的准确性,并可能取消参考锚之间显式同步的需求。
(2)基于模型驱动神经网络的定位
为克服基于纯数据或纯模型的定位方法的缺点,提出一种基于混合数据和模型的定位方法,即基于模型的神经网络定位。使用这个技术,就能够设计出带有理论定位基础的神经网络拓扑,网络的结构可以被解释和预测。目前,将神经网络与几何模型相结合的定位方法很少被提及。基于模型的神经网络方法很明显保留了基于模型方法的优点(确定性和理论合理性)和基于数据方法的强大学习能力。它还克服了精准建模的困难,避免了时间和计算资源的大量需求。基于模型的神经网络定位包括3个部分:测量模型、定位算法和神经网络。
毫米波频段的电磁特性决定了毫米波通信的高方向性。因此,位置信息(包括速度)与毫米波通信的各个方面有关,例如自由空间路径损耗、多普勒频移、信道质量、波束方向、阻塞和干扰水平。传统的毫米波通信完全基于估计的CSI运行,因此要求非常频繁的波束训练和信道估计过程,以克服毫米波信号所经受的大路径损耗和高阻塞概率。受通信系统获得的高精度位置信息的激励,传统的基于CSI的通信方法可以转变为基于CSI和基于位置的混合方法。
当前的毫米波通信系统是为无线通信而非定位应用而设计的。因此,通过毫米波通信和定位一体化系统的高吞吐量通信和高精度定位需要额外的研究,包括硬件不理想特性、通信和定位层的交互设计、跨设备信息的融合等。

关键词组:毫米波;通信定位一体化;位置辅助通信;超大规模天线阵列;可重构智能表面;人工智能;神经网络

Research Articles

Radio propagation measurement and cluster-based analysis for millimeter-wave cellular systems in dense urban environments

Peize Zhang, Haiming Wang, Wei Hong

DOI: 10.1631/FITEE.2000489 Downloaded: 505 Clicked: 1452 Cited: 0 Commented: 0(p.471-487) <Full Text>   <PPT>  541

Chinese summary   <12>  密集城区场景毫米波电波传播测量和分簇信道建模

张沛泽1,2,王海明1,2,洪伟1,2
1东南大学毫米波国家重点实验室,中国南京市,210096
2紫金山实验室,中国南京市,211111
概要:随着毫米波无线通信技术日趋成熟以及2019年世界无线电大会(WRC-19)正式将24.25–27.5、37–43.5、66–1 GHz等频段分配给国际移动通信系统,预计毫米波通信系统近期将陆续在世界范围内大规模商用部署。毫米波存在路径损耗大、难穿透等不利的传播特性,其覆盖范围受到很大限制。城市密集城区将是未来毫米波系统商用部署并发挥其大容量优势的主要应用场景。本文基于信道实测数据探明了在典型的密集城区场景和毫米波频段下信道多径分簇特性,为未来毫米波系统传输设计和覆盖优化提供了研究基础和实验依据。
毫米波信道测量系统利用高性能矢量信号源和矢量信号分析仪搭建了射频前端可重构的双定向信道测量系统。在发送端使用宽波束喇叭天线实现扇区覆盖,其位置与现网4G基站的部署位置一致;在接收端通过连续旋转高增益喇叭天线获取接收信号的角度信息。该系统可灵活支持多频段多场景信道测量,实现空-时-频多维信道特性获取。我们在两种典型密集城区环境以及28和39 GHz两个典型5G毫米波确认频段开展了大量信道实测,构建了信道实测数据库。考虑毫米波信道存在稀疏特性,提出改进的两步KPowerMeans多径分簇算法,在提升分簇准确性的同时有效减少了算法迭代次数。基于实测和分簇结果,可进一步分析环境因素对信道特性的影响,并建立在城市密集城区视距(LoS)和非视距(NLoS)场景下完备的多径簇统计信道模型。
信道分簇统计建模结果表明:在密集城区场景通常存在5–8个多径散射簇,具体的簇数目与环境密切相关,多径主要由建筑物外表面的一次和二次反射及屋顶和侧边绕射引起;由于存在丰富的多径,在适当的系统配置下通过架高发射天线,毫米波系统在NLoS场景下的覆盖范围可达到200米以上;相比于全向信道而言,簇内时延和水平角度扩展远小于全向信道的结果,并且随着工作频率升高,两者均呈现减小趋势;当接收机或用户在同一水平维度时,全向和簇内接收俯仰角度扩展近似,并且随频率变化不明显;对于不同信道统计参数间的相关性进行了分析,本文统计结果表明簇内时延和三维角度扩展间的相关性较弱。
综上,基于大量的信道实测数据及信道分簇结果,揭示了环境散射体与多径散射簇的映射关系,文中给出反射和绕射等传播机制对信道参数的影响,并在典型频段构建了适用于城市密集城区场景的三维信道统计模型,建模结果有效弥补了3GPP、ITU等模型因数据缺失所存在的不足。最后,结合测量和建模结果,为毫米波无线通信的物理层设计提供了参考。

关键词组:毫米波通信;分簇;绕射;多路通道;传播测量

A study of uplink and downlink channel spatial characteristics in an urban micro scenario at 28 GHz

Tao Jiang, Jianhua Zhang, Pan Tang, Lei Tian

DOI: 10.1631/FITEE.2000443 Downloaded: 424 Clicked: 1010 Cited: 0 Commented: 0(p.488-502) <Full Text>   <PPT>  491

Chinese summary   <12>  28 GHz城市微蜂窝场景中上行与下行信道空间特性

姜涛,张建华,唐盼,田磊
北京邮电大学网络与交换国家重点实验室,中国北京市,100876
摘要:介绍了28 GHz城市微蜂窝(UMi)场景中上行和下行链路的水平到达角(AoA)实验研究。目前,大多数毫米波频段的角度测量都在下行链路中进行,然后利用信道互易性来推断上行链路情况。尽管上行链路和下行链路的信道相关系数可以高达0.8,但这并不意味着它们完全相同。只有对真实的上行链路进行测量才能准确描述其信道状况,这也是本文的研究目的。在模拟上行链路和下行链路时,将配备有可旋转喇叭天线的接收机分别置于基站和用户终端。为提高角度分辨率,使用空间替代广义期望最大化(SAGE)算法提取多径分量(MPC),然后使用空间波瓣方法对MPC在功率角谱中分簇。通过将MPC与环境中的对象匹配,发现直射传播和一阶反射传播分别在视距(LoS)和非视距(NLoS)情况下占主导地位。通过将测量结果与标准信道模型比较,可以验证AoA的簇心角在上行链路和下行链路中均遵循高斯分布。最后,为簇内多径的AoA和功率建立二维高斯模型,以反映它们的相关性。

关键词组:信道测量;毫米波;上行链路;下行链路;水平到达角

Empirical study on directional millimeter-wave propagation in vehicle-to-infrastructure communications between road and roadside

Xichen Liu, Lin Yang, Daizhong Yu

DOI: 10.1631/FITEE.2000464 Downloaded: 551 Clicked: 1410 Cited: 0 Commented: 0(p.503-516) <Full Text>   <PPT>  570

Chinese summary   <11>  车地通信中定向毫米波传播的实证研究

刘希晨,杨霖,余代中
电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室,中国成都市,611731
概要:随着对高速移动通信日渐增长的需求,人们迫切需要高速车载通信系统。毫米波频段由于其较广的带宽和丰富的频率资源而受到越来越多的关注。然而毫米波通信系统的设计高度依赖于各种环境下的无线信道特性;因此,有必要对不同场景下毫米波信道进行研究。现有的对于长距离传输中毫米波的通信信道特性的研究较为缺乏。本文基于信道实测数据研究了在1900米的长传输距离下41 GHz毫米波的车地通信的信道特征,为今后长距离传输下车地毫米波系统设计提供了研究基础。
41 GHz毫米波通信信道收发器数字基带由模数转换器AD6688、数模转换器AD9163、两个XC7VX690T FPGA和ZYNQ7045芯片组成,在接收机的射频前端使用AD8362芯片记录RSSI值。采用高增益10°半功率波束宽度(HPBW)的定向喇叭天线。利用天线增益高的优点,毫米波探测器能够在长距离传播引起的高信号衰减后检测到毫米波信号。采用基于Golay互补序列对的时域信道测量方法完成车地场景下的信道脉冲响应(CIRs)测量。
测量是在四川省成都市的天府大道进行的,接收机天线安装在路边,发射机天线固定在车顶。天线离地高度均为2米。在测量过程中,汽车以50 km/h的恒定速度向接收机天线行驶,没有其他移动的车辆或散射体,也没有明显的遮挡,发射机和接收机始终处于视线(LoS)条件下。
结合所测数据,分析得出该场景可被建模为考虑了地面粗糙度的两径模型,从发射机到接收机有两条路径,包括直接路径和反射路径。然而,考虑到光滑路面情况,所得结果和实际接收信号强度指示(RSSI)不符。对于表面粗糙的介质,部分电磁能量会因粗糙表面的散射而损失。为获得更好结果,采用的处理方法是引入反射系数。从最终得到的结果可以看出,在引入表面粗糙度后,接收信号强度指示的深衰落明显减小,更加符合实测数据。
均方根时延扩展(RMS delay spread)测量的RMS延迟范围为2~35 ns,平均值为6.99 ns。可以发现实测均方根时延扩展数据与对数正态分布Nlog(1.78, 0.582)较为匹配。除了分析均方根时延扩展的总体分布外,还需讨论均方根时延扩展与发射机-接收机距离的关系。研究均方根时延依赖性的一种有效方法是将发射机-接收机路程上的原始数据划分为若干个单元,使每个单元中的CIRs可以看作是平稳的。随着距离的增加,均方根时延扩展值减小,其原因是由于窄波束天线过滤了大量的散射体,使得直射路径的衰减比散射路径慢得多。
提出一种更为通用的功率延迟分布(PDP)模型,称为两段指数模型,将功率延迟分布曲线分为两段。两段指数模型涵盖了一段指数模型的所有适用情况,并且可以解决噪底的问题。

关键词组:毫米波;两径模型;均方根时延扩展;功率延迟分布;CI-TRH路径损耗模型

OTFS modulation performance in a satellite-to-ground channel at sub-6-GHz and millimeter-wave bands with high mobility

Tianshi Li, Ruisi He, Bo Ai, Mi Yang, Zhangdui Zhong, Haoxiang Zhang

DOI: 10.1631/FITEE.2000468 Downloaded: 924 Clicked: 1250 Cited: 0 Commented: 0(p.517-526) <Full Text>   <PPT>  513

Chinese summary   <12>  星地高速移动场景OTFS性能研究

李天时1,何睿斯1,艾渤1,杨汨1,钟章队1,张浩翔2
1北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室,中国北京市,100044
2工业和信息化部中国工业互联网研究院,中国北京市,100804
概要:第六代移动通信系统(sixth generation, 6G)相比5G (fifth generation)移动通信系统在应用场景、传输性能等方面需满足更高指标。为应对卫星、无人机和高速铁路等高移动性场景,6G面临的挑战之一是满足高达1000 km/h超高速移动场景的通信需求。空天地一体化通信系统以及高速率通信业务发展对下一代卫星通信系统的空口波形提出更高要求。正交时频空(orthogonal time frequency space,OTFS)调制技术利用时延-多普勒域信道变化缓慢特性,将信息符号变换到时延-多普勒域传输,可充分利用时间、频率分集。与正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)技术相比,在高速移动场景下传输性能提升明显,且具有更高频谱利用率,更低峰均比(peak to average power ratio, PAPR)。相比OFDM技术,OTFS调制更加适合于星地高移动性通信场景。本文主要研究OTFS技术应用于星地通信的性能及信号检测算法,利用3GPP最新的5G非地面网络信道模型(5G NTN),在典型场景下开展深入的仿真分析与验证,对相关技术的发展和系统设计具有指导意义。
OTFS发送端首先在时延-多普勒域进行数据符号复用得到Xdd,之后将逆有限傅里叶变换(ISFFT)应用于Xdd,再进行海森堡(Heisenberg)变换可得到OTFS系统发送端时域信号s(t),在接收端进行以上变换的逆过程(Wigner变换和有限辛傅里叶变换),即可得到OTFS系统的输出信号Ydd。OTFS系统的信道估计通常可采用在时延-多普勒域中插入导频,利用导频信号进行信道估计,可获得用于信号检测的信道状态信息。OTFS系统的性能与采用的信号检测方法密切相关,在高移动速度性场景下,由于多径传播和多普勒效应,时延-多普勒域中数据符号都会受到相邻符号干扰,OTFS系统的性能会因干扰而损失,线性均衡方法由于缺乏干扰消除,通常性能表现欠佳,因此采用基于连续性干扰消除的最小均方误差算法(minimum mean square error with successive dection, MMSE-SD)进行信号检测。
利用3GPP TR 38.811中的星-地移动信道模型,开展了OTFS调制技术在星地高速移动场景下的性能研究,仿真结果表明,OTFS技术与OFDM技术相比BER性能更优,尤其在高移动速度场景下,在相同信噪比下,OTFS调制的误码率几乎不受多普勒频移增加的影响。而对于OFDM调制,误码率随着多普勒频移增加而显著增加。
比较了LoS和NLoS条件下4种不同场景(密集城区、城市、郊区、农村)下OTFS和OFDM调制的误码率性能。结果表明,在LoS条件下,在郊区场景下的OTFS系统的误码率性能最优,在密集城区、城区和乡村场景下的OTFS系统性能接近,而在NLoS条件下,场景对误码率的影响相对较小。
对比了低轨道卫星-地面通信中,OTFS和OFDM调制在密集城区、城区、郊区和乡村场景下的误比特率性能。结果表明,在NLoS条件下的OTFS与OFDM的性能差距比在LoS条件下更大,在NLoS条件下,不同场景对OTFS和OFDM性能影响不大。
比较了不同速度和载频下MMSE-SD和MMSE检测算法的误比特率性能,采用NTN-TDL-B信道模型,考虑密集城区场景。2.2 GHz和20 GHz对应的子载波间隔分别为15 kHz和60 kHz。结果表明,利用MMSE-SD算法可以提升OTFS调制在LEO星地通信中的性能,对于不同的终端速度和载频,当误码率为10−4时,MMSE-SD算法与MMSE相比可获得约2.3 dB的信噪比增益。

关键词组:时延-多普勒域;高移动性通信;最小均方误差算法;正交时频空;星地通信;毫米波通信

Modeling and performance analysis of OAM-GSM millimeter-wave wireless communication systems

Qi Zhang, Xusheng Xiong, Qiang Li, Tao Han, Yi Zhong

DOI: 10.1631/FITEE.2000444 Downloaded: 511 Clicked: 1311 Cited: 0 Commented: 0(p.527-547) <Full Text>   <PPT>  552

Chinese summary   <10>  OAM-GSM毫米波无线通信系统建模与性能分析

张琪,熊绪胜,李强,韩涛,钟祎
华中科技大学电子信息与通信学院,中国武汉市,430074
概要:随着5G与物联网快速发展,海量移动设备涌入网络,产生巨大的数据交互需求,对未来网络发展提出严峻挑战。如何进一步提高通信网络容量、支持更大规模的网络接入,成为亟待解决的关键问题。在传统无线通信系统如MIMO中,空间调制、广义空间调制等调制策略被提出,以提升毫米波通信系统的传输速率,同时频率、时间等传统自由度也已被充分利用。因此,基于以上自由度很难进一步提高通信系统性能。由于轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)波在理论上具有无限个状态,并且不同状态之间存在自然正交性,OAM技术可以为无线通信系统提供新的自由度。随着无线通信系统中使用的电磁波频率逐渐升高,OAM技术也受到广泛关注。受OAM状态对信号进行编解码的思想启发,本文设计了OAM-GSM毫米波无线通信系统。与传统的广义空间调制(GSM)系统相比,OAM-GSM毫米波无线通信系统能够带来显著的性能提升,可作为未来移动网络的候选解决方案。
OAM-GSM系统发射端采用由M个OAM发射天线阵元组成的均匀线性阵列(Uniform Linear Array, ULA)。系统接收端由M组接收天线对组成,每组接收天线对包含两个接收天线,均安置在对应发射天线发射的OAM波的环形区域内。在OAM-GSM系统中,我们通过利用不同的OAM状态进行编码调制。信源的二进制比特流中的部分比特可以映射到不同的OAM状态,从而通过选择发射不同的OAM波实现信息传输。此外,在OAM-GSM系统中,信源的二进制比特流中还有一部分比特用于天线选择,一部分比特用于星座符号选择。
文中使用分离检测法检测传统调制符号、激活天线矩阵和OAM状态。在判断OAM电磁波的OAM状态时,可根据接收端两个接收天线分别检测出的所在位置OAM波的相位,利用相位梯度法确定。在OAM-GSM系统中,发射天线数量的增加使系统的误比特率(Bit Error Rate, BER)增大。为降低大发射天线数下的BER值,文中提出OAM-GSM系统预编码解决方案。
数值结果表明,与传统GSM通信系统相比,OAM-GSM毫米波系统虽然具有更复杂的收发机制,但其信道容量和最大能量效率分别提高80%、54%。同时,与传统GSM系统相比,通过采用提出的信道预编码算法,OAM-GSM毫米波系统的误码率下降91.5%。综上所述,文中设计的OAM-GSM毫米波无线通信系统具有良好性能,可作为未来移动网络的候选解决方案。

关键词组:轨道角动量;广义空间调制;毫米波通信;信道容量;能量效率;误比特率

Spatial fading channel emulation for over-the-air testing of millimeter-wave radios: concepts and experimental validations

Wei Fan, Lassi Hentilä, Pekka Kyösti

DOI: 10.1631/FITEE.2000484 Downloaded: 471 Clicked: 1166 Cited: 0 Commented: 0(p.548-559) <Full Text>   <PPT>  493

Chinese summary   <14>  用于毫米波性能空口测试的空间衰落信道重现技术:概念和实验验证

范伟1,Lassi HENTIL?2,Pekka KY?STI2,3
1奥尔堡大学电子系统系天线传播和毫米波系统实验室,丹麦奥尔堡,9220
2是德科技,芬兰奥卢,90014
3奥卢大学无线通信中心,芬兰奥卢,90014
摘要:拥有大量可用频谱资源的毫米波(mmWave)频段使得毫米波通信被视为第五代(5G)蜂窝系统的关键使能技术。为使毫米波新无线电(NR)成为现实,工业界和学术界做出了巨大努力。毫米波NR的性能评估和测试是确保毫米波5G NR部署成功的关键和必不可少的步骤。极具吸引力和应用前景的毫米波空口(OTA)辐射测试方法是在实验室条件下模拟实际的传播条件对毫米波设备进行虚拟现场测试。本文首先讨论了在衰落信道条件下毫米波5G NR空口测量的需求和挑战。之后,详细介绍了两种有前景的候选测试解决方案,即无线线缆和多探头电波暗室(MPAC),其中包括这两种方案的原理、对毫米波NR的适用性以及主要挑战。最后展示了这两种测试方案在28 GHz频段下初步的实验验证结果。

关键词组:空间信道模型;空口测试;无线线缆;多探头电波暗室;FR2验证

Beam squint effect on high-throughput millimeter-wave communication with an ultra-massive phased array

Zhiqiang Wang, Jiawei Liu, Jun Wang, Guangrong Yue

DOI: 10.1631/FITEE.2000451 Downloaded: 498 Clicked: 1434 Cited: 0 Commented: 0(p.560-570) <Full Text>   <PPT>  537

Chinese summary   <15>  高通量毫米波超大规模相控阵通信系统波束倾斜效应

王志强,刘嘉伟,王军,岳光荣
电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室,中国成都市,611731
概要:毫米波频段巨大的通信带宽,为超高速率通信传输提供了有效途径。然而,毫米波频段路径损耗严重限制了系统传输距离。使用大规模阵列天线进行波束成形提高增益,可有效补偿高路径损耗的影响。但是,在大带宽条件下,大规模阵列天线波束特性的改变将影响远距离毫米波通信系统性能。本文讨论了大规模相控阵宽带波束倾斜效应对毫米波单载波频域均衡(SC-FDE)通信系统的影响。此外,基于恒包络零自相关序列设计了一种修正模拟波束成形方案,可有效弥补波束倾斜效应带来的性能损失。
考虑毫米波LoS-MISO系统,发射机部署大规模相控阵,接收机部署单个天线接收信号。空间无线信道假设为单径LoS信道。模拟相控阵列作用是形成空间波束指向固定方位接收机。当天线数目和信号带宽较小时,天线阵列响应符合窄带假设(天线单元间的基带信号时延可忽略不计),仅由空间角度决定。如果发射机已知接收机方位,则可以直接依据该方位信息计算出移相器网络各个移相器的移相值,这种方法称之为标准模拟波束成形方法。然而,当天线数目和信号带宽较大时,天线单元间的基带信号时延与通信码元周期相比拟,则该时延不再能够忽略。阵列矢量将由空间角度和频率共同决定。如果仍采用上述标准模拟波束成形方法,由于移相器的移相值与频率无关,则会导致不同频点的空间波束指向不同,该现象即为大规模相控阵中的宽带波束倾斜效应。
从通信角度而言,发射机移相器网络和空间无线信道被看作为空间多径等效信道。每个天线通道看作一条信号路径,则该等效信道是由多条等功率但具有一定时延差的信号路径组成。波束倾斜效应产生的影响主要可以分为两方面:(1)等效信道频率选择性:随着天线数目和空间角度增加,等效信道频率响应逐渐从不平坦性表现为频率选择性;(2)系统等效信噪比损失,且该信噪比损失不可弥补。
本质上,上述空间多径等效信道频域响应相当于模拟波束成形矢量关于天线空间采样的离散傅里叶变换。为使等效信道尽可能平坦,可以寻找一种在频域具有平坦特性的序列设计模拟波束成形加权矢量。恒包络零自相关序列即是满足该要求的序列。本文使用恒包络零自相关序列中的Zadoff-Chu(ZC)序列对标准模拟波束成形进行修正。
此外,信道频率选择性会导致传输系统出现码间干扰。这可以在单载波系统中通过时域或频域均衡消除。另外,可以使用多载波系统,将信道划分为多个正交子载波,每个子载波信道可以看作频率平坦信道。对于毫米波通信而言,选择单载波频域均衡(SC-FDE)方案更适合实际实现。单载波避免了多载波系统峰均功率比(PAPR)很大的问题,使得在系统设计中可以采用更经济高效的功率放大器,技术更成熟,系统稳定性更高。在接收机端,我们使用低复杂度迫零(ZF)均衡和最小均方误差(MMSE)均衡算法。本文提出的修正模拟波束成形方法能够有效抵抗由于波束倾斜效应产生的码间干扰。
综上,在毫米波通信系统中采用大规模相控阵可以提高通信传输距离。但在大规模阵列和高宽带情况下,大规模相控阵列中的宽带波束倾斜效应会导致波束增益降低和系统码间干扰。本文提出的基于恒包络零自相关序列修正模拟波束成形方法通过对模拟波束成形矢量进行修正设计,使得空间等效信道尽可能平坦,从而有效消除宽带波束倾斜效应带来的码间干扰。

关键词组:超大规模相控阵;毫米波;波束倾斜;Zadoff-Chu;单载波频域均衡

Performance analysis and power allocation of mixed-ADC multi-cell millimeter-wave massive MIMO systems with antenna selection

Tao Zhou, Guichao Chen, Cheng-xiang Wang, Jiayi Zhang, Liu Liu, Yiqun Liang

DOI: 10.1631/FITEE.2000509 Downloaded: 623 Clicked: 2299 Cited: 0 Commented: 0(p.571-585) <Full Text>   <PPT>  666

Chinese summary   <12>  带有天线选择的混合精度ADC多小区大规模MIMO毫米波系统的性能分析和功率优化

周涛,陈贵潮,王承祥,章嘉懿,刘留,梁逸群
1北京交通大学电子信息工程学院,中国北京市,100044
2中国铁道科学研究院国家铁路智能运输系统工程技术研究中心,中国北京市,100081
3东南大学信息科学与工程学院移动通信国家实验室,中国南京市,210096
4紫金山实验室,中国南京市,211111
摘要:大规模MIMO和毫米波是5G的两个关键技术。其中大规模MIMO技术能充分挖掘空间资源,在不增加时频资源的情况下显著提高无线通信系统的频谱效率和能量效率;同时,毫米波频段由于具有大量的带宽资源受到了人们的青睐。这两个关键技术带来性能提升的同时也带来了一些问题。在大规模MIMO系统中,每个基站要配备上百根天线,同时也要配备与天线数量相对应的射频、ADC等硬件设施,导致基站的功耗和成本急剧增加。采用毫米波频段进行通信的问题是路径损耗大、穿透能力差等。本文针对大规模MIMO和毫米波存在的问题,提出一系列解决方法,为大规模MIMO和毫米波的实际应用提供了一定的理论基础。
在多小区大规模MIMO毫米波系统中,发送端和接收端均采用了模数混合波束成形技术以克服毫米波频段带来的路径损耗问题,并通过减少用户和基站端射频链的数量降低终端的成本和功耗。在发送端,本文考虑了一个通信小区和N个干扰小区,每个用户具有Nt根发送天线,但只有1根射频链;在接收端,基站具有Nr根天线为Nu个用户提供服务,同时,基站端配备了NRF根射频链和一个混合精度ADC架构。其中有NRF0根射频链连接高精度ADC,NRF1根射频链连接低精度ADC。此外,本文还考虑在基站端配备天线选择模块,该模块的作用是动态地选择出信道条件好的射频链并令其连接高精度ADC使有限的高精度ADC获得最大利用率。
通过严密的数学推导,得到了本文所研究系统上行可达速率的闭式表达式。速率计算结果表明:(1)在混合精度ADC架构下,无限增加用户的发送功率会使上行可达速率趋于一个定值;(2)采用全精度ADC替代混合精度ADC架构且基站端天线数目趋于无穷大,可达速率不会趋于无穷大,而会趋于一个与毫米波信号多径数目有关的定值;(3)当射频链和毫米波信号多径数目与基站端天线数目成正比,用户发送功率与基站端天线数目成反比且基站端天线数目趋于无穷大时,用户可达速率会趋于一个定值。此外,针对得出的闭式表达式以及不能通过简单增加发送功率以增强用户的可达速率等结论,本文提出了一种性能优化算法。该算法能够在发送功率一定的前提下,最大化系统的可达速率。
对计算得到的可达速率的闭式表达式进行仿真分析。首先通过闭式表达式与真实仿真结果的对比证明了本文所得到的闭式表达式的正确性。然后通过仿真结果证明了在基站端采用天线选择模块能显著提升系统的频谱效率。最后对系统的能量效率进行了计算与仿真,得出了系统能量效率随低精度ADC量化精度的变化趋势以及频谱效率和能量效率的最佳折中点。

关键词组:毫米波;大规模多输入多输出;混合模拟-数字转换器;性能分析;天线选择

A 9.8–30.1 GHz CMOS low-noise amplifier with a 3.2-dB noise figure using inductor- and transformer-based gm-boosting techniques

Hongchen Chen, Haoshen Zhu, Liang Wu, Wenquan Che, Quan Xue

DOI: 10.1631/FITEE.2000510 Downloaded: 719 Clicked: 1271 Cited: 0 Commented: 0(p.586-598) <Full Text>   <PPT>  493

Chinese summary   <8>  基于电感和变压器跨导提升技术、噪声系数为3.2 dB、带宽为9.8-30.1 GHz的CMOS低噪声放大器

陈宏尘1,朱浩慎1,吴亮2,车文荃1,薛泉1
1华南理工大学电子与信息学院毫米波与太赫兹广东省重点实验室,中国广州市,510641
2香港中文大学(深圳)理工学院,中国深圳市,518172
概要:随着第五代移动通信系统(5G)的到来,毫米波收发系统预期将陆续在世界范围内大规模商用部署。对于接收机来说,最关键的指标是要保持较高信噪比。因此,位于接收机前端的第一个有源模块--低噪声放大器--起着非常关键的作用。但是,当频率上升到毫米波段时,由于寄生效应影响变大,高性能的宽带低噪声放大器设计面临着诸多挑战。本文通过基于电感和变压器的跨导提升技术,研制一款宽带的高性能毫米波低噪声放大器。使用台积电(TSMC)65 nm CMOS工艺流片并测试,这款低噪声放大器最低噪声系数仅为3.2 dB,带宽高达20.3 GHz,适用于5G毫米波收发系统。
利用共栅放大器(M1)和共源放大器(M2)级联构成完整的低噪声放大器。第一级选择共栅级是因为共栅放大器的输入阻抗低,易于实现宽带的输入匹配。但是,由于单纯的一级放大器增益不够,所以级联一个共源级作为第二级放大器提高增益。在低噪声放大器中,较高的增益通常需要更大功耗来实现,因此增益和功耗在实际设计中需要折中。但是,通过引入跨导提升技术,可以使得等效跨导Gm等于(1+A)gm,其中A是提升因子,gm是晶体管固有的跨导。如此,在同样功耗(gm)下,引入跨导提升技术可取得更高增益(Gm);反之,对于相同增益(Gm),引入跨导提升技术后只需要更小功耗(gm)。然而,传统的跨导提升方法,即通过有源反馈实现,会引入大量噪声。与传统方法不同,本文提出利用电感提升跨导和变压器提升跨导相结合的方式大幅提升第一级和第二级放大器的跨导。首先通过在第一级放大器(共栅级)加入栅极电感Lg,使Lg与晶体管M1的寄生电容在高频处谐振,从而提升M1的等效跨导。其次,针对第二级放大器(共源级),通过引入变压器TR1,使M2的栅极和源级同时输入反相信号,从而提升M2的等效跨导。通过仿真实验,可以看到引入电感后提升了第一级放大器的等效跨导。在第二级放大器引入变压器后等效跨导随耦合系数变化,可以看到,当耦合系数为0时,等效跨导最低,随着耦合系数增大,等效跨导提升。
本文提出的宽带毫米波低噪声放大器经台积电65纳米CMOS工艺流片加工。去除测试PAD后的芯片面积仅为0.1μm2。该低噪声放大器采用在片测试方法测试。其中,S参数由德国R&S公司生成的ZVA67矢量网络分析仪测试。噪声系数由带有噪声系数测试选件K30的FSW67频谱分析仪和Noisecom公司的噪声源NC346V测试。
测试结果表明,低噪声放大器最大增益为10.9 dB,3 dB带宽从9.8 GHz到30.1 GHz,高达20.3 GHz,并且输入匹配良好。另外,噪声系数最低仅为3.2 dB,且在整个3 dB带宽内低于5.7 dB。此外,整体功耗仅为15.6 mW。
由此可见,由于采用了基于电感和变压器的跨导提升技术,该毫米波低噪声放大器在带宽、增益和噪声系数方面表现优异,适用于5G毫米波收发系统。

关键词组:CMOS;跨导提升技术;低噪声放大器;变压器;共栅级

A dual-polarized Fabry–Pérot antenna with high gain and wide bandwidth for millimeter-wave applications

Qingyi Guo, Hang Wong

DOI: 10.1631/FITEE.2000514 Downloaded: 658 Clicked: 1416 Cited: 0 Commented: 0(p.599-608) <Full Text>   <PPT>  577

Chinese summary   <10>  一种高增益、宽频带的毫米波双极化法布里-佩罗天线

郭庆毅,黄衡
香港城市大学毫米波太赫兹国家重点实验室,中国香港,999077
摘要:随着毫米波无线通信技术日趋成熟,以及2019年世界无线电大会(WRC-19)正式将37–43.5 GHz,47.2–48.2 GHz和66–71 GHz等频段用于国际移动通信(IMT),毫米波通信系统近期将陆续在世界范围内开展大规模商用部署。毫米波存在路径损耗大等不利的传播特性。宽带高增益毫米波天线作为通信传播和电子设备之间的接口,为补偿通信系统的路径损耗、提高数据传输提供了保障。基于部分反射表面的法布里-佩罗天线凭借其结构简单、剖面低、成本低、增益高的特点,在高频段的应用中拥有更高的灵活度和潜力。本文提出一种高增益、宽频带的毫米波双极化法布里-佩罗天线,采用宽带的双极化馈源、近似椭圆抛物面的反射地板以及全对称的集成菲涅尔环的单层部分反射表面,实现了宽带高增益的双极化毫米波法布里-佩罗天线设计,为毫米波天线应用和未来通信系统以及通信方案的创新奠定基础。
所提出的天线结构由宽带双极化馈电源、准抛物面反射面和集成菲涅尔环的部分反射表面组成。宽带馈电源是一个3层介质层结构,具有垂直极化和水平极化的2个馈电端口,其辐射器是一个电磁偶极子。此馈电源采用磁电偶极子的辐射体结构实现宽带的特性,通过十字形馈电缝隙提高两个极化之间的极化隔离度,形成宽带高隔离度的毫米波双极化馈电源。设计了准抛物面的反射地板以形成法布里-佩罗腔体,从而激励多模高斯模式,实现整个腔体的宽带化。最后,采用菲涅尔环集成的部分反射表面,完成对电磁波的相位调控,实现天线的高增益特性。
为验证上述设计方法和理念,对所设计的天线进行加工制造以及测量。测试结果表明,此天线的垂直极化和水平极化的峰值增益分别为18.4和17.6 dBi,两种极化的阻抗匹配带宽为14%。此外,两种极化的隔离度高达40 dB,有效避免了两个端口能量的串扰。这些性能确保所提出的双极化法布里-佩罗天线能有效应用于毫米波频段无线通信系统。

关键词组:双极化;法布里-珀罗腔天线;与菲涅耳带透镜集成的部分反射面;毫米波波段;高增益;宽带

Correspondence

Correspondence: Low-cost high-order-mode cavity backed slot array antenna using empty substrate integrated waveguide for the 5G n260 band

Zihang Qi, Xiuping Li, Hua Zhu

DOI: 10.1631/FITEE.2000503 Downloaded: 473 Clicked: 1199 Cited: 0 Commented: 0(p.609-614) <Full Text>   <PPT>  426

Chinese summary   <11>  面向5G n260应用的低成本基片集成空腔波导高次模背腔缝隙天线阵

齐紫航1,2,3,李秀萍1,2,3,朱华1,2,3
1北京邮电大学电子工程学院,中国北京市,100876
2智能监控北京市重点实验室,中国北京市,100876
3泛网无线通信教育部重点实验室,中国北京市,100876
概要:毫米波天线设计面临高增益、宽带、低成本等诸多挑战,在该频段基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)由于其辐射损耗低和易集成的优势而被广泛应用。然而在毫米波频段SIW的介质损耗直接降低了天线辐射效率,若采用低损耗介质材料会导致较高的制造成本。基片集成空腔波导(Empty Substrate Integrated Waveguide,ESIW)结构通过去除SIW中介质,可实现电磁波低损耗传输,在毫米波频段具有广阔应用前景。本文面向5G n260频段应用,提出一款采用低成本FR-4 PCB板材设计的缝隙天线阵。天线采用基片集成空腔波导结构设计,消除了介质损耗,并引入高次模腔体结构,减小馈电网络复杂度,在保证天线性能前提下,实现了毫米波天线低成本制造,为低成本毫米波天线设计提供了技术参考。
天线由5层FR-4 PCB板组成,从顶层往下依次为缝隙辐射层、高次模腔体层、耦合缝隙层、功分馈电网络层以及同轴馈电层。天线底部由2.4 mm同轴馈电,通过ESIW功分馈电网络,缝隙耦合激励4×4个腔体中的TE340模式,每个TE340模式的腔体通过顶层的3×4个缝隙辐射,形成12×16的缝隙阵列。每层PCB板都将ESIW部分的介质去除并进行内壁覆铜处理,加工完成的PCB板通过周围的定位孔用螺钉组装。给出了测试S参数与仿真S参数以及测试增益与仿真增益的对比结果。S参数−8 dB带宽可覆盖n260的37–40 GHz频率范围。测试的最大实际增益为27 dBi,通过与仿真的方向性系数对比,可估计得到天线辐射效率约为72.4%。从天线在37、38、39、40 GHz处的辐射方向图看,测试的方向图与仿真结果具有很好一致性。

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