旋转平面天线阵降低多用户空间复用信道相关性的研究

⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICTExpress 5（2019）271www.elsevier.com/locate/icte旋转平面天线阵降低信道空间相关性TakashiAkao，Koya Watanabe，Shun Kojima，Masato Katsuno，Kazuki Maruta，Chang-JunAhn千叶大学研究生院工学研究科，千叶县稻上区弥生町1-33，邮编263-8522接收日期：2019年1月18日;接受日期：2019年在线发售2019年摘要本文提出了一种新的直接天线阵列控制方法，以减少多用户空间复用信道的空间相关性。传统的矩形阵列可以形成三维波束，并且与线性阵列相比具有优越的信号分离性能。然而，当一些信号的到达角接近时，信号分离（干扰消除）性能劣化，因为在几个天线元件的水平/垂直轴上的投影点重叠，并且沿着每个轴的空间分辨率退化。 关键的建议是通过机械地改变天线元件的位置关系来改善信号分离性能。该方案通过搜索最佳天线旋转角度，可以获得更好的误比特率（BER）性能c2019韩国通信与信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：波束形成;阵列天线;天线布局; 5G1. 介绍智能手机在世界各地普及，数据流量持续增加。近年来，已经对使用无线通信的无人机操纵进行了许多研究，预计数据流量将进一步增加。因此，传输速率和系统容量的显著改善对于第五代移动通信（5G）是必不可少的[1]。然而，诸如较低的超高频（SHF）频带的频率资源是紧张的，因为存在诸如第四代移动通信（4G）的各种商业系统[2]。为了解决这个问题，研究了在5G中使用毫米波频带进行通信[3]。虽然在毫米波段中可获得丰富的频谱资源，但是随着载波频率变得更高，传播损耗变得更大。因此，阵列天线有望成为一种有价值的解决方案。阵列天线无需高功率放大器（HPA）就可以获得波束形成增益，从而实现各天线单元的相位对准。通常，基站（BS）可以具有大量天线元件。作为天线元件的典型布置，∗通讯作者。电子邮件地址： sekibi@chiba-u.jp（T. Akao）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2019.03.004有线性阵列和矩形阵列。这些天线易于表示由每个天线元件接收的信号的相位旋转。当线性阵列创建二维波束时，矩形阵列创建三维波束。因此，在一般情况下，信号分离的性能是更好的在矩形阵列比在线性阵列。然而，当大量用户存在于同一平面上时，同一行中的天线元件的投影点在水平轴上重叠，并且这降低了矩形阵列中的空间信道的水平分辨率。因此，各个信号的信道空间相关性变大，这导致信号分离的困难。为了解决这个问题，在以前的研究中已经提出了一种平面阵列（PPA）[4]。在在PPA中，天线元件以每行/列偏移的方式排列，并且所有天线元件在水平/垂直轴上的投影点以相同的间隔对齐而没有重叠。它使得能够在用户终端最有可能分布在水平面中的前提下降低用户终端之间的信道空间相关性[5]。当用户分布在斜面上时，其有效性趋于减弱[6]。PPA的天线布置是以固定的方式，同时，如果天线布置根据以下条件被最佳地确定，则可以进一步空间去相关2405-9595/2019韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。272T. Akao，K.渡边，S.Kojima等/ICT Express 5（2019）271×−[λ∈=×，，λ用户分布。从这一概念出发，本文提出了一种新的方法：通过机械旋转优化天线布局。该方案根据信道空间相关性对平面阵列进行简单旋转，并搜索最佳旋转角度。本文的其余部分组织如下。在第二节中，我们描述了阵列天线系统模型。然后，在第3节中提出了所提出的方案。在第四节中，计算机模拟结果与所提出的方案的有效性。最后，在第5节中给出了结论。2. 系统模型2.1. 均匀平面阵列阵列天线是由多个天线单元按一定的规则排列而成。由每个天线元件接收的信号的幅度和相位被独立地控制。一般天线布置之一是UPA，其中天线元件布置在矩形上。图1中示出了UPA。1.一、天线布置是放置在x z平面中的UPA，每行中具有I个天线元件，每列中具有J个天线元件[7]。这里，假设天线元件的间隔为d。在如图1所示的UPA中，在仰角域和方位角第（i， j）个数组的数组因子Fig. 1. UPA（蓝色）和PPA（红色）结构。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版。）示于图1，每一行都有规律地偏离其相邻行。因此，所有元件在水平轴上的投影点（其可以被称为虚拟元件间空间（VIS））在相同的间隔中对齐而没有重叠。在这种布置中，与传统UPA不同，同一列上的每个天线元件可以有助于降低信道空间相关性。这是因为提高了空间通道的水平分辨率，减少了不需要的光栅条纹当第（i， j）个天线元件接收第p个用户的信号时，阵列因子天线元件（1≤i≤I， 1≤j≤J）接收第p个用户信号（1≤p≤P）由下式ai， j，p=exp2πjdλ{（j−1）+（i−1）dr}cosφp sinθpai，j， p=exp[2πjd（j−1）cosφpsinθp +（i−1）cosθp]，⑴+（i−1）cosθp]，（三）其中λ是波长，θp、φp分别是仰角和方位角。在第（i，j）个天线元件处从第p个用户的发射信号（s p）接收的信号P其中dr指示用于提供PPA结构的列向偏移。第p个信号源的导向矢量ApCI J×1可以表示为Ap=（a11p，a12p，. . . ，a ijp，. . . ，a IJp）T.（四）xi， j=∑ai， j， ps p+N i， j，（2），，，p=1其中，Ni ， j是具有零均值和方差σ2的加性高斯白噪声（AWGN）[8]。在一维天线布置如线性阵列中，形成2D波束另一方面，在如图1的平面天线布置中，形成3D波束。因此，后者的信号分离性能一般优于前者。在某些到达角接近的情况下，前者的信号分离性能优于后者。例如所有由于θp的距离很近，在仰角域分离信号比较困难。与水平阵列（1IJ）相比，它降低了矩形阵列中空间通道的水平分辨率，如图1所示。1.一、2.2. 平面阵列天线（PPA）PPA甚至在AoA接近时也可以分离信号。其天线布置向每一行天线元件添加列向偏移。 图 1可视化PPA设计。作为3. 建议计划3.1. 阵列天线旋转受PPA概念的启发，本文提出了一种简化的机械旋转天线体的方法。示意图如图2所示。在图2中，图1所示的矩形阵列围绕参考天线元件（i， j，1， 1）旋转。旋转等效地实现了每行和每列的偏移。令天线主体的旋转角表示为θ，当第（i， j）天线元件接收第p用户信号时，修改的导向矢量ai，j， paijp=exp[2πjd[{（i−1）cos−（j−1）sin}cosθp+{（i − 1）sin θ p+（j − 1）cos θp}cos φpsin θp]]。（五）T. Akao，K.渡边，S.Kojima等/ICT Express 5（2019）271273∼=× ××={个={个∩× =×××××Q××图二、 建议方案：阵列天线旋转。从（5）开始，每行和每列与其相邻行和列有规律地偏移。因此，预计建议的计划可达到与购电许可证相同的效果。此外，可以根据用户终端之间的信道空间相关性灵活地控制旋转角度。机械驱动天线现在被广泛应用，例如航空系统[9]。所提出的方法的制造和实施被认为是可能的[1]。3.2. 优化算法取决于AoA和旋转角θ的组合，信道空间相关性的状态波动。我们需要找到最佳的旋转角度，在该角度下，信道空间相关性被最小化。在这里，我们还提出了一个基于空间相关性的旋转角度优化方法。当期望信号是第D|AD (ψ) HAq(ψ)|表1模拟参数。传输方案OFDM阵列结构矩形阵列元件间间距（d）2波长天线元件（IJ）2四、四 4用户数（p）8FFT点/子载波数64/64调制QPSK帧大小40个符号飞行员：np=8，数据：nd=32到达角（θ，φ）[deg]（150，120）（151，150）（152，30）(149 148，10）（147，100）(151（150，40）旋转角度（°）[deg] 0 90换档角度（角度）[deg] 1我们考虑作为用户的八个信号源的位置由仰角和方位角θ[deg] 150、 151、 152、 149、 148、 147、 151、 150和152指定的情况。φ[deg] 120， 150， 30， 75， 10， 100， 65， 40 .所有的仰角都接近150度。垂直分辨率不起作用。我们设置所需信号D1 [1因此，期望的信号从方向（150°，120°）到达。旋转角θ从0°改变到90°，并且重复所提出的算法，同时将θ移动1°粒度。元件间间距设置为2λ，以便在天线旋转时确保足够的VIS。出于同样的原因，原始PPA也需要增大元件间间距[1，2]。为了消除极化波的影响，我们在仿真中使用了贴片天线。为了消除极化波的影响，我们在仿真中用户检测采用样本Φq（Ω）=|一个D（）||Aq（q）|（六）基于矩阵求逆的最小均方误差（MMSE）算法。其中q是pD、AD（ω）和Aq（ω）是导向矢量（信道向量），并且是SNR的函数。为了提高信号分离性能，具有最高相关值的用户之间的空间相关性应该被最小化。它可以表示为求解下列最opt=argminmax（Φq（φ））。（七）ψ这些操作在逐行移位时重复，并且正在搜索中。4. 计算机模拟4.1. 模拟参数在本节中，我们展示了使用所提出的方案的BER性能的仿真结果。表1列出了模拟参数。这里np是导频符号的数量，并且nd是数据符号的数量。在该模拟中，我们设置天线元件的数量（IJ）24和4 4.这里，我们假设远场信道模型和因此信道系数等于阵列因子和频率平坦。4.2. 仿真结果图3示出了聚焦于期望源的BER性能，其中旋转角θ从0°改变到90°。在该模拟中，Eb/No为30 dB。观察图3，BER性能通过旋转天线主体而得到改善，天线2的数量4和44.似乎通过旋转天线体，所有元件在水平轴上的投影点被对准而没有重叠，因此提高了空间信道的空间分辨率。然而，在2 - 4和4 - 4天线阵列中，当λ/s接近45λ/s当λ为45λ时，一些天线元件在水平轴上的投影点重叠。因此，空间通道的水平分辨率退化。在天线单元数为4 4的情况下，BER性能的波动似乎是对称的。由于它是一个正方形阵列，导向矢量也以对称的方式改变这一观察也可以验证我们在（5）中提出的方法和公式的方法论。同时，在天线元件的数量是2× 4的情况下，波动274T. Akao，K.渡边，S.Kojima等/ICT Express 5（2019）271××≤≤=≤≤2××图3.第三章。 两个建议天线布置中的BER图四、U P A 中 的 BER性能和所提出的算法。的BER性能是不对称的。将BER性能与0ψ45个字母45◦ ψ90℃，前者的性能要比后者好得多。其原因也被认为是水平阵列孔径在后者中比在前者中变得更窄，使得水平方向上的波束宽度变宽并且干扰信号的影响变得显著。然后对传统矩形阵列和结合优化算法的新方案的误码性能进行了比较。观察图4，在图2 4和图4 4中，可以看出，所提出的方案大大提高了BER性能。在这种情况下，每个阵列结构的优化旋转角度分别为21°和35°可以看出，在Eb/No30 dB肯定与图1的结果一致。3 .第三章。验证了该算法能够成功地确定最优解最后，我们比较的BER性能的PPA与建议的计划。如图5可以可以看出，所提出的方案降低了BER性能图五、P P A 的 BER性能和提出的算法。与VIS为λ时的PPA相比，4结构。这是因为所提出的方案的水平天线孔径变得比PPA的水平天线孔径窄。此外，该方案具有几乎相同的性能PPA在4 - 4结构。综上所述，所提出的方案被认为在水平轴和垂直轴上具有相同孔径的正方形阵列中是有效的[15. 结论本文提出了一种新的阵列天线控制方法，简单地降低信道空间相关性：机械旋转和相关的优化。仿真结果表明，通过旋转天线移动投影点，提高水平分辨率，可以显著改善系统的误码率性能。基于空间相关的旋转角度优化也可以成功地工作，并实现最小化的BER性能。此外，我们所提出的方案取得了相同的性能，在一个正方形阵列结构的PPA确认这项工作得到了科学研究基金的支持(C)No. 17K06415，来自日本科学促进协会（JSPS）。利益冲突作者声明，本文中不存在利益冲突。引用[1] J.G. Andrews等人，5G将是什么？IEEE J. Sel. Areas Commun.32（6）（2014）1065[2] B. Bangerter等人，5G时代的网络和设备，IEEECommun。麦格52（2）（2014）90[3] M.H. Park等人，毫米波信道上的退化检测方法性能分析，见：2015年信息与通信技术融合国际会议（ICTC 2015），2015年，第971-973T. 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