免费订阅一年期杂志
天线 信号分析 解决方案
技术文章
 
客户端软件定义天线可以改善链路余量并减少干扰
材料来源:《微波杂志》2019年3/4月号           录入时间:2019/4/23 11:37:06

Client Software-Defined Antennas Improve Link Margins, Reduce Interference

Jeff Shamblin, Taoglas, Enniscorthy, Ireland

随着连接设备的增加以及随之而来的对于发送和接收数据的需求,人们对于蜂窝网络的需求也在不断增加。为了帮助解决这一发展趋势带来的问题,设备和天线设计人员的任务是在客户端开发更好的系统,以提高网络性能。在优化选项中,设计人员可以使用软件定义天线技术进行动态的通信链路优化,从而为无线电架构和天线系统提供更多的功能。这使得公司可以开发更紧凑和更具成本效益的无线电系统,同时还可使系统支持更宽的工作带宽和多种调制方式。软件定义无线电设备(SDR)的许多军事和商业应用受益于软件定义天线(SDA),这些优势还可扩展到物联网中的众多任务关键型应用,例如对于铁路的控制、地下天然气泄露探测和森林火灾的预防。

本文概述了SDA技术方法和带来的优势,这些功能使得天线性能远远超出无源天线的性能,可以实现动态跟踪移动设备中的信号并保持通信链路的优化。

软件定义天线

一些关键任务系统需要持续可靠的连接或高数据速率,开发这些关键任务系统的公司依赖于无线电架构和天线系统的灵活性,以允许动态优化通信链路。这种优化可以由SDA提供,SDA支持无线电系统访问更宽的频率范围并使用灵活的调制来维持和提高性能。

由于目前M2M和物联网设备的数量远远超过全球智能手机的数量,蜂窝信号的拥挤和干扰成为了这一领域的主要问题。随着越来越多的设备需要连接到现有网络中,增加基站或者节点的数量可以作为对策,但是这样又加剧了干扰问题。目前用于计量、车辆跟踪和工业自动化的蜂窝客户端设备中的无源天线系统缺乏对波束宽度的动态控制和大阵列天线可以提供的前后比(front-to-back ratio)。采用SDA技术将可提供波束宽度和角度辨别能力,以最小化基于节点的蜂窝网络如4G和5G中的干扰。

在过去的十年中,SDA已经可以使用,这主要得益于两个方面的创新:RF可调器件和RF调制解调器芯片组。用于这些器件的各种RF可调器件和制造技术已经成熟,可用的器件包括开关、可调电容器、RF MEMS开关和可调电容器、BST可调电容器和PIN二极管。调制解调器芯片组提供了中到低延迟的实时动态优化的度量,例如信号与干扰噪声比(SINR)和信道质量指标(CQI)。这些度量可用于确定天线系统的最佳调谐状态。

无源天线的局限性

在通信链路中,天线辐射并接收电磁能量。尺寸为十分之几波长的天线可用于在宽角度区域上辐射能量,其性能接近理论上各向同性辐射器的性能,即在所有方向上均可等幅辐射。由于多径环境、多径环境中的时变变化以及客户端设备的移动性,宽角度区域上的辐射对于移动通信是非常重要的,所有这些都会导致传播信道的动态变化。理想情况下,客户端设备中的无源天线应该在所有方向上辐射,因为基站天线的方向是未知的,并且多径环境使得辐射向基站天线和来自基站天线的信号在宽角度范围内均有散射和反射。

一个电大天线,即尺寸为一到几个波长的天线,可以通过设计使其在更窄的角度范围内辐射。在30度和80度之间减小3dB的波束宽度可将更多的辐射能量聚集在所需的方向上,并提供几个dB的天线系统增益,这将转化为更高的数据效率。这种减小波束宽度的辐射图将对从天线主波束外部方向接收到的干扰信号有更好的抑制。然而,要获得与预期基站的最佳链路余量需要更具指向性和效率更高的天线,使其指向正确的方向,这就意味着需要更多的信息来实现这种具有移动性和非视线条件的天线。

图1比较了偶极子天线和一个更具方向性的天线,更具方向性的天线拥有更高的增益。偶极子方向图(如图1a)在x-y平面内具有全向覆盖特征,在z方向上具有两个深度零点,而更具方向性的天线(如图1b)在x-y平面和z方向上都具有减小的波束宽度,但它同时在主瓣方向上提供了更高的增益。它的波束可以动态控制,覆盖四个90度象限,提供360度覆盖。

1:(a)偶极子和(b)更具方向性的天线的辐射方向图的对比,(c)对比结果显示定向性天线可以提供更高的增益。

图1给出了SDA提供的动态波束控制的优势,并将其与低方向性、宽波束宽度的无源天线与波束控制天线产生的多波束进行了对比。用多个波束合成一个复合的辐射方向图,当波束控制与算法耦合时,算法用于计算无线电链路度量并使用该数据选择最佳波束,实现了最优收益。当从无线电基带芯片组获得低延迟度量以推动优化过程时,配置良好的算法将可以实现80%到90%的辐射方向图增益。

软件定义天线实例

正如我们所讨论的,SDA被实时动态地重构以补偿传播信道的变化,并适应无线电系统的变化。为了设计一个SDA以提供半球或全3D覆盖,可以使用几种阵列来实现:在外围具有寄生天线单元的集中的天线单元,或者反过来,多个天线单元围绕一个中心寄生单元。第一种更容易实现且效率更高,因为只有一个驱动天线单元;第二种阵列需要多个天线单元围绕一个寄生单元,且这多个天线单元必须是可以调控的以改变辐射方向图。调控成本和损耗使得这种阵列相比使用具有多个寄生单元的单一天线效率低很多。

在任何一种情况下,有源可调器件都被集成在天线单元或者寄生单元中,以提供转化或者调谐一个RF开关,用来连接或断开导体的某一部分,该部分也是寄生单元或者驱动天线的一部分;这种导体阵列的改变会改变寄生单元或驱动天线上的电流分布。或者,可以在两个导体中间使用可调电容器,为阻抗负载和连接离散导体引入动态变化的电容。

无源天线的一个实例(如图2)是地面上的八木天线,该天线在某一方向上提供定向辐射方向图。通过在反射单元和引向单元上添加可调器件,这些单元可以被动态的控制与地面连接或者断开。当反射器和引向器互相连接或是各自“接地”时,辐射方向图具有定向性,峰值增益指向某一方向。当反射器和引向器不相连,辐射方向图即恢复成地面上单极子的辐射方向图,在地面所在平面内具有全向辐射图案。地面上八木天线的增益比单极子高5到6dB。

2:(a)地面上的无源八木天线。(b)可以动态调控的同样的八木天线。

图3给出了一个复杂版本的SDA系统,其中具有可调器件的多个单元被放置在一个中心驱动的天线单元周围。随着各种可调器件被激励,为了将单元连接到地面或者断开,要产生一个定向性的辐射方向图并在地平面内旋转,从而控制天线峰值增益的方向。中央驱动天线和其中一个带可调器件的偏移原件的组合就是一种八木天线,如图2b所示。

3:更复杂的SDA,其波束可以被调控指向不同的区域。

为了完成SDA系统,需要一种算法,该算法使用来自无线电基带芯片组的度量来确定最佳波束的选择。图4给出了由该算法控制的无线电调制解调器和SDA。该算法将调制解调器和SDA连接在一起,这在图4中被重点突出,其中规定调制解调器和SDA的虚线框在该算法处重叠。

4:无线调制解调器驱动的SDA

这个对于天线系统结构的讨论仅设计单端口天线,2*2的LTE MIMO系统将需要两个天线。

系统增益

具有波束控制的SDA可以提供3到6dB以上的额外天线增益。额外增益等同于相同等级的系统增益,因此可以得到更高的数据速率。图5给出了数据吞吐量和SINR之间的关系。当信号电平高于噪声并干扰信号水平时,随着天线系统增益的提高,SINR将逐步增加。图5给出了额外的天线系统改进对于系统指标的好处,如吞吐量。

5:链路数据吞吐量与SINR

对于低SINR值,LTE网络将使用正交相移键控(QPSK),基本上与4-QAM相同。随着QAM指数的增加,数据速率增加,支持调制所需的SINR也增加。当SINR超过7dB时,具有QPSK吞吐量2倍的16-QAM可用于传输。SINR为13dB时,最佳调制变为64-QAM,其吞吐量为16-QAM的2倍、QPSK吞吐量的4倍。在较低的SINR下,从SDA获得的天线系统改进将是最明显的。

随着智能手机的广泛使用和蜂窝网络向5G的发展,客户端设备中的天线设计方法是设计低定向性的全向天线或尽可能接近全向辐射的天线,以确保客户端能够在最宽的球形几何范围内接收信号。由于具有无源天线的设备无法得知基站的位置或到达角度,因此这种宽波束宽度方法提供了让系统工作的最佳方法,并且考虑了设备的移动性以及设备在小区内的方向和位置的变化。不幸的是,从系统链路预算的角度来看,这不能有效地从客户端设备中的天线发送功率,因为尽管辐射信号的预期方向指向链路的基站,功率依然会朝各个方向辐射。接收时,无源宽波束宽度天线的峰值增益低于更具定向性的天线。如果天线“知道”需要指向哪个方向,则可以使用定向天线。

总结

当辐射单元的动态优化与来自基带调制解调器的信号相结合时,SDA系统可以增加多个dB的系统增益,并使用优化天线的算法。除了在预期方向上提供更大的增益之外,SDA还将减少从预期基站以外的方向接收干扰信号。其基本原理是,天线的增益和波束宽度之间有如下关系:在辐射方向图中产生更高的增益峰值,其他角度区域将被电磁波覆盖的更少,即在辐射方向图主瓣以外的方向上增益较低。

如果基带调制解调器芯片组中的SINR度量可用于优化SDA的算法,则将考虑传播信道中的干扰,因为辐射模式特性将需要被研究和优化。为了满足容量需求,基站部署越来越密集,信道干扰问题将变得越来越重要。随着基站密度的增加,干扰成为吞吐量的限制因素,而不是信号强度在影响吞吐量。

目前的天线工程师可以利用无线调制解调器中不断发展的功能,如低延迟SINR指标和可调器件技术,将无源天线重构为动态优化的SDA系统。如果选择辐射模式进行动态优化,与低方向性的无源天线相比,辐射方向图扇形化将提供3到6dB的系统增益改进。随着蜂窝网络的基站密度不断增加,优化辐射方向图将变得更加重要,这将使得链路能够针对信号电平和传播信道中的干扰进行优化。

参考文献

  1. J. J. O. Bonafé, A. S. Pagès, S. R. Boqué, M. Garcia-Lozano and D. Gonzalez Gonzalez, “Link Level Simulator for LTE Downlink,” 2009, www.researchgate.net/publication/47330409_Link_level_simulator_for_LTE_downlink.

上一篇:新型D波段0.8mm同轴连接器研... 下一篇:理解时间偏移和延迟匹配的同轴电缆...

版权声明:
《微波杂志》网站的一切内容及解释权皆归《微波杂志》杂志社版权所有, 未经书面同意不得转载,违者必究!
《微波杂志》杂志社。


赞助企业
友情链接
 
  首页 | 关于我们 | 联络我们 | 收藏本站| China advertising regulation
Copyright© 2019: 《微波杂志》; All Rights Reserved.
请用 Microsoft Internet Explorer 6.0 或以上版本。
Please use Microsoft Internet Explorer 6.0 or higher version.
备案序号:粤ICP备12025165号-4