60 GHz未来Wi-Fi：解决挑战的技术波束成形系统设计与实现

30未来Wi-Fi的60 GHz无线通信Ohyun Jo1，SangHyun Chang1，ChangYeul Kweon1，Jisung Oh1，Kyungwhoon Cheun11三星电子DMC（Digital Media and Communications）研发中心公司摘要基于IEEE 802.11ad标准的60 GHz Wi-Fi近年来一直很有吸引力，这是因为60 GHz未授权频段中的大带宽具有允许多千兆位数据传输的高潜力。然而，商业化的60 GHz Wi-Fi仍然没有广泛普及，主要是由于覆盖范围的高度限制以及缺乏多样化的应用。在这封信中，我们开发了一种新的技术波束成形系统，作为一种全面的无线电解决方案，涵盖了广泛的整体天线和射频（RF）电路设计以及跨层算法设计，以实现大气波束成形覆盖。为了解决60 GHz通信中的这些挑战，我们的设计和实现被认为是在所有主要层，并给出实验结果，以推断未来Wi-Fi的洞察力和愿景。索引术语：未来的Wi-Fi，毫米波波束成形，IEEE 802.11ad，60 GHz，系统级设计，实际实现1. 介绍这封信提出了60 GHz Wi-Fi部署的实际挑战，并提供了我们在广泛的天线、射频（RF）电路、物理（PHY）层算法和介质访问控制（MAC）层算法方面的新颖技术解决方案。60 GHz Wi-Fi技术，也称为IEEE 802.11ad标准技术，利用未授权的57-66 GHz频带中的mmWave（毫米波）阵列天线波束成形。Wi-Fi标准是最近发布的，其任务是开发和促进采用数千兆位速度的无线通信技术。60 GHz Wi-Fi是成功的Wi-Fi（或无线局域网）系列的增量安装，该系列在2.4/5 GHz频段已经拥有大量的根据最近的一项调查，60 GHz Wi-Fi芯片组市场预计到2018年将超过15亿美元[1]。与传统的Wi-Fi标准相比，IEEE 802.11ad标准规范在MAC和PHY层规范中引入了重大的改造[2]。的IEEE 802.11ad标准中的PHY层支持4种传输模式：用于信标和初始网络进入的控制PHY模式、具有最大数据速率的SC（单载波）PHY模式62 Gbps的最大数据速率的OFDM（正交频分复用）PHY、以及低功率SC PHY（适用于功率受限设备）。 6.75 Gbps的最大数据传输速率可提供近实时非压缩全高清（高清）视频流服务和无线超高速数据服务的应用。为了通过60 GHz Wi-Fi实现多千兆位无线数据传输，由于天线有效面积小的空气传播损耗[3]以及大量的氧气吸收，传输的60 GHz无线电信号比传统Wi-Fi无线电信号遭受更高的信号衰减。为了克服严重的链路损耗，毫米波阵列波束成形技术已经基本上被采用到60 GHz Wi-Fi系统。接收日期：2014年8月24日;修订日期：2014年9月8日接受日期：2014年9月21日* 通讯作者电子邮件：ohyun.jo @ samsung.com com，电话：+82 - 31 -279-0729这是一个开放获取的文章，根据知识共享署名（CC-BY-NC）许可证的条款，允许在任何媒体上无限制地使用，分发和复制，前提是正确引用原始作品。版权所有©韩国通信与信息科学研究所（KICS），2014http://www.ictexpress.org31http://www.ictexpress.org未来Wi-Fi的60 GHz无线通信yr bl ue red布雷尔r，t2ftcos 2ft    rb lue r rec C   R100R蓝色2cRre布卢埃河 r re d cos2Δf 2 2c2 rb lueλ：波长相位差c：光速f：频率t：时间E：振幅BeamSteering！RREDX0.5λ毫米波波束成形技术实现了阵列天线中的定向高增益，其中阵列天线方向图可以被电子控制到期望的方向。阵列天线的高增益可以补偿高信号衰减。此外，即使在信道变化（例如，人为堵塞）。因此，波束成形技术在维持多千兆位数据传输链路以实现上述60 GHz Wi-Fi应用方面起着关键作用。2. 60 GHz波束成形2.1 在实际室内环境中定向通信的挑战本小节通过使用市售的60 GHz发射器模块（SiBeamSK 63102）进行实验来证明常规60 GHz通信的实际缺陷。在实验中，60 GHz的音频信号从模块发送，接收功率的测量是由频谱分析仪，位于4m以外的发射机。商用RF/天线模块有12个天线阵元，天线增益为16 dBi。根据规范，模块的转向覆盖范围限制为±50度，波束宽度为22度。测量了两种非视距情况下定向信号的衰减：天线方向不对准和人为阻挡，并与视距情况进行了比较。在情况1中，两侧的天线面向可转向覆盖范围之外的错位方向，因此无法找到任何直接通信路径;在情况2中，两侧的天线彼此面对，并且人体是最常见的障碍物之一，正在阻挡无线链路。图1显示传统60 GHz通信脆弱性的测试案例尽管距离很短，但在两种NLOS情况下测量的信号损耗非常高，分别为情况1的-14.5dB和情况2的-25dB。结果表明，由于巨大的信号损失和缺乏波束控制覆盖，没有有意义的改进的通用60 GHz通信几乎不适用于未来Wi-Fi中常见的室内场景。2.2 相控阵天线波束形成为了解决上述限制，使用相控阵天线的波束成形技术是必不可少的。相控阵天线的物理原理可以如图2所示。即使在该示例中元件的数量是2，给定的原理也可以一般地应用于大量的天线元件。当入射波从相控阵天线传播，到达每个阵列天线单元的时间可能不同[4]。注意，到达时间差取决于天线元件之间相对于撞击方向的间距。为了以建设性的方式对信号进行解调（即，为了有效地实现高天线增益），每个阵列天线单元的移相器可以补偿相位差以组合相干信号。由于互易性，接收阵列天线的操作类似于发射阵列天线的操作。阵列天线方向图取决于天线元件的数量、天线元件的空间配置以及天线元件的增益方向图。例如，我们可以通过使用更多数量的天线元件来操纵天线方向图以使其更窄和更高的增益。图图2用于光束转向的相长/相消叠加原理3三星60 GHz Wi-Fi如第二章所示，常规波束覆盖的不完全性增加了阴影区域这32图360 GHz无线通信系统概述这种现象在NLOS（非视线）情况下进一步恶化，并阻碍了60 GHz Wi-Fi的普及。菲因此，我们研究和开发了解决方案，以实现突破，充分利用60 GHz Wi-Fi的优势，并实现许多新的应用。我们考虑具有大气可操纵波束形成结构的60 GHz无线通信系统，该大气可操纵波束形成结构可以消除上述问题，如图1所示3.第三章。该天线结构支持端射阵和宽边阵的可切换使用，以根据情况扩展波束控制覆盖范围。RF包含具有低功耗和可忽略增益损失的附带电路。数字模块负责智能波束形成算法和信号处理，以实现高数据速率。4. 基于动态波束成形技术的高效波束搜索在本节中，我们讨论波束搜索算法以有效地找出最佳TX/RX波束对。全搜索算法总是保证全局最优解，但由于计算复杂度大，不实用。另一方面，顺序搜索算法可以给出具有低复杂度的次优解，并且具有局部最优解潜在地导致性能下降的风险因素。波束赋形技术通过在搜索期间动态控制波束宽度和增益方向图，可以有效地消除危险，提高覆盖范围和吞吐量。因此，可以更有可能找到最佳波束对。对搜索算法进行了提取和总结，以推导出有效管理和使用波束成形技术的见解。被标记为（t，r）的变化的波束对可以基于如下的各种CQI（信道质量指数）从所提出的搜索算法中决定。这里，是全向光束的折射率，均匀地设计用于通过波束成形技术的优化波束搜索。<全搜索算法>（，���）={CQ IforallTXbemkanddRXbeaml}���������������������������������������������������<连续搜索，带光束整形>{���对于所有TX波束，通过动态波束成形每个单独确定的RX波束R���������������������������������������������������������������������������������{具有最佳TX波束的所有RX波束l的CQI}������<顺序搜索w/o波束成形>������′′=��������������������� ���������������������{CQ Ifo ra llT Xbea mk}CQI"=CQI_CQI_RX_RX_CQI_RX_RX_CQI_RX_RX_CQI_RX_RX_CQI_RX_RX_CQI_RX_RX_CQI_RX_RX_CQI_RX_RX_为了显示所提出的波束搜索方案的增强，TX/RX波束的详细设计和系统级测试进行了集中。图4中设计了组织良好的波束本。19个波束用于扩展数据发送/接收的波束形成覆盖，并且波束簿中的每个波束具有22.4度HPBW（半功率波束宽度），如图5所示。此外，图6中的全向波束被包括在波束簿中，用于在波束训练阶段期间增强波束搜索方案的性能。附加波束使阵列天线增益方差最小。图4先进的波束本设计，可实现全面扫描覆盖未来Wi-Fi的60 GHz无线通信33http://www.ictexpress.org图 5被设计用于数据发送和接收的波束候选的半功率带宽用于调制的QPSK（四相相移键控）、用于信道编码的低密度奇偶校验（LDPC）3/4、以及用于分组长度的2000字节。波束命中率被定义为找到全局最优波束对的概率。该算法结合波束成形实现了90%的波束命中率，全局最优算法此外，该算法可以减少计算复杂度高达89%。降低的计算复杂度保证了实际实现的可行性。图6利用光束整形技术进行类全向光束设计以优化光束搜索我们使用完全集成的802.11ad实现进行了“5点8路部署测试”。试验台位于5个不同方向的位置，并在图7中的每个位置旋转8个不同的方向。图7 5点8路部署测试的测试场景图8中的结果示出了具有动态波束成形的顺序搜索实现了接近关于分组错误率和波束命中率的最佳界限的改进的性能。所提出的波束搜索算法与波束成形的测量数据包错误率是小于50%的数据包错误率没有波束成形。在这里，我们使用正交相移键控图 8通过高效波束搜索算法实现的实测性能增强5. 结论我们展示了60 GHz通信的优势以及60 GHz Wi-Fi商业化的实际解决方案。作者执行的增强和实现将引领未来Wi-Fi的成熟，Wi-Fi的发展将继续创造新的创新应用。此外，最近对室内/室外部署的兴趣可能会扩展60 GHzWi-Fi技术的用例。确认作者感谢所有为实现和测试做出贡献的同事。引用[1] P. Solis和P. Cooney，[2] IEEE P802.11ad，[3] H. T.Friis ， “A Note on a Simple TransmissionFormula，”Proceedings of IRE 34，1946，pp. 254-256[4] A. Hajimiri ， A.Komijani ， A. 纳 塔 拉 扬 河 Chunara ，X.Guan和H. Hashemi，42号不行8，2004，pp.一百二十二至一百三十