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波束赋形和系统增益使60GHz的NLoS通信成为可能
录入时间:2024/1/18 9:13:42

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波束赋形和系统增益使60GHz的NLoS通信成为可能

David Sumi, Airvine Scientific, Inc.

对于那些追求无线领域每秒最高比特传输速率的人来说,60GHz频段多年来一直是焦点。该频段的频谱高达14GHz,比所有6GHz以下至42GHz频段的频谱总和还要多。毫无疑问,60GHz频段为实现千兆比特速率提供了充足的带宽。这些频段的相对信道带宽如图1所示。

1 80GHz以下各通信频段的信道带宽。资料来源:Airvine

然而,在这一频段提供千兆比特系统有一个关键限制:所有操作都必须是视线(LoS)操作,传输路径上不能有任何障碍物。此外,该频段的任何服务过去和现在都仅限于较短距离的应用,链路约为1000米或更短。但现在,系统增益性能的提高和波束赋形技术的应用已经解决了室内环境中的LoS问题,实现了真正的非LoS(NLoS)连接。链路预算限制仍然没变,但这些限制在室内环境中无意义,因为传输路径很少超过100米。

这一发展为60GHz频段的服务开辟了一个全新的市场,恰逢其时地满足了带宽需求急剧增长的应用。工业4.0应用旨在解决基于人工智能和机器学习的工厂运营问题,而专用5G网络、大型数据中心以及会议中心和MDU等其他大型室内环境的主干或回程连接,都需要增加带宽和数据流量。2显示了一些受益于高数据速率的工业4.0应用。

2 工业4.0中设想的机器人仓库和装配线。

开端

多年来,人们曾多次尝试引入60GHz设备和采用60GHz标准,但结果喜忧参半。成立于2009年的WiGig联盟于2012年向IEEE引入了60GHz 802.11ad标准。2014年,Wi-Fi联盟采用802.11ad作为认证WLAN设备的行业标准,并开始实施互操作性测试计划。但这些工作都失败了。对室内环境中严格LoS操作的要求在家庭或商业环境中限制太多。只要在客户端和接入点(AP)之间走动,就会中断连接。此外,内置WiGig芯片的接入点要比标准的2.4/5GHz接入点贵得多,成本相差数百美元。

第二个

下一个60GHz标准出现在市场上是在几年后的2019年,当时推出了IEEE 802.11ay。与802.11ad相比,802.11ay在效率、范围和其他特性方面都有显著改进。然而,该标准更适合短距离应用,采用该标准的主流市场应用试图在室外使用该标准,距离可达1800米。其理由是,如果链路必须是LoS,那么在室外更容易实现,因为设备可以高高地安装在建筑物、塔或路灯上。然而,这种部署模式只会造成用户和供应商之间的紧张和妥协。使情况更加复杂的是,这一频段还受到氧气吸收的影响,即氧气分子在60GHz频段产生共振,吸收无线电波,从而进一步衰减信号,缩短传输距离。这个用例就像试图把一个方钉放进一个圆孔中。

802.11ay标准是Terragraph项目的基础,该项目由当时的Meta、Facebook发起,旨在为60GHz的室外服务建立一个可行的生态系统。该项目的目标是解决住宅宽带问题,尤其是"数字鸿沟"问题。作为这项工作的一部分,高通公司推出了完整的60GHz参考设计,其中包括调制解调器、前端和天线。该项目的目标是为供应商降低总成本,加快产品上市时间。3显示了Terragraph网络的概念框图。

3 Terragraph网络概念

这些系统是点对多点的,这意味着接入点或基站必须能实施波束转向,以克服天线中90个扇区造成的天线增益下降。这种方法与点对点通信中使用的非常窄的高增益天线形成了鲜明对比。为了提高商业效益,宽带无线接入系统依靠增加覆盖范围来覆盖每个基站的更多用户。这意味着要将这些系统的性能推向极限。由于60GHz是一个短程频率,还存在氧气吸收的障碍,因此将该频段用于长程部署具有挑战性。Terragraph项目没有达到"大规模部署"的预期,Meta公司于2022年退出了Terragraph项目。

60GHz的最佳时机

在室内使用60GHz可以将这些系统固有的短程性能与同样是短程的应用相匹配。室内没有一英里链路要求。然而,LoS限制一直存在,直到可以穿透室内墙壁,利用可转向90度以上的波束绕过角落。这些新的波束赋形和系统增益功能改变了使用60GHz的整个方法,并为室内电缆延伸创造了市场。利用14GHz的可用频谱,现在可以实现10到20Gbps的全双工容量。

60GHz波段实现正确的波束赋形

波束赋形包括对天线阵列的阵元进行精确的相移,以产生聚焦于特定方向的窄波束。窄波束增加了到达接收器的增益,同时也减少了对附近其他设备的干扰。这在6GHz以下的应用中非常有用,但真正的价值是在毫米波频段,额外的增益有助于克服60GHz的自由空间高路径损耗和氧吸收。

波束赋形是所有毫米波通信的基础性赋能技术。任何无线电系统都由两部分组成:数字基带调制解调器以及由射频集成电路和天线阵列组成的射频子系统。这两个部分在波束赋形过程中各司其职。

模拟波束赋形

在使用模拟波束赋形的系统中,单个数据流从数字基带通过射频链发送,产生模拟信号。然后,该信号通过移相器阵列发送,形成具有高增益的窄波束。根据设计,大型阵列的天线增益可高达30dBi。

这些阵列通常使用贴片天线阵元,当工作频率为60GHz时,每个阵元的尺寸约为2mm2。在一个阵列中可以有多达256个这样的阵元。通过精确改变每个贴片天线阵元的相位和振幅,可以产生聚焦于特定方向的窄波束。由于由有效各向同性辐射功率(EIRP)定义的功率受到调节的限制,因此波束越窄,接收器得到的增益就越大。因此,如果使用得当,模拟波束赋形可以产生非常高的天线增益。

数字波束赋形

在这种方法中,所有的相移都是在数字基带中完成的。这可以实现精确的射频波束,但由于每个天线阵元都需要一个完整的射频链,因此这种方法不能很好地扩展。典型的实施可能包括16个数据流流经16个射频链,然后进入16个天线阵元。数字波束赋形技术的一个吸引人的特点是它支持多用户多输入多输出(MU-MIMO),这使得在同一射频信道上同时与多个用户通信成为可能。

为了限制干扰,MU-MIMO要求窄波束集中在预定用户上。毫米波频段的波束赋形最好使用大数量天线阵元。然而,在数字域实现这种波束赋形的成本和功耗都很高。一种引人注目的替代方法是将模拟波束赋形的大阵列能力与数字波束赋形的MU-MIMO能力相结合。这种技术被称为混合波束赋形。

混合波束赋形

这种MU-MIMO和模拟波束赋形的组合通常被称为大规模MIMO。每个波束的结构都能为目标用户提供最大能量。当用户在覆盖区域内移动时,数字基带会重新计算相位和振幅偏移的必要变化。60GHz频段的一个优势是,即使是大型阵列的天线阵元,也能轻松安装在小于20厘米的印刷电路板上2。这种方法非常适合在体育场馆、城市中心、会议中心和机场等严重拥堵地区部署接入网络,因为在这些地区需要在有限的区域内连接大量人员。

接收波束赋形

有关波束赋形的讨论大多集中在发射端,但也必须考虑接收端。射频信号不仅要在所有发射贴片天线阵元上进行相移,还必须在接收端进行相移。这样就能使接收信号正确对齐,从而使它们的相加产生建设性的效果,得到一个强信号。考虑接收器左侧的发射器,最容易解释这一概念。位于天线左侧的接收器天线阵元将先于右侧的天线阵元收到信号。这些信号必须相位正确,才能产生建设性的相加效果。

旁瓣

射频旁瓣的产生是波束赋形过程中不可避免的一部分。总会有一些不属于主波束的射频能量。这些旁瓣会对工作区域内的其他用户造成干扰,并从针对目标用户的主波束中分走能量。我们的目标是尽可能减少这些能量。毫米波设计的总体目标是将旁瓣抑制至少达到20dB。4显示了60GHz多阵元天线波束的输出,包括主波束和旁瓣。

4 具有代表性的模型天线波束方向图。

系统增益的考虑因素

在60GHz下实现NLoS连接的另一个重要因素是系统增益性能的提高。随着频率的增加,信号传播距离会缩短。要在室内实现NLoS连接,穿透墙壁等障碍物是一个巨大的挑战,尤其是墙壁材料引起的衰减随频率的增加而增加。对于60GHz,普通室内墙壁的衰减是众所周知的。1显示了各种常见墙壁材料的典型衰减值,这些墙壁的损耗差异之大显而易见。

距离和障碍物穿透性能在很大程度上取决于系统增益。这意味着要同时最大限度地提高发射EIRP(功率输出加天线增益)和接收器灵敏度,并在给定的机械限制条件下获得尽可能大的天线增益。此外,美国联邦通信委员会和其他监管机构规定,室内60GHz应用的最大EIRP为40dBm。

如何最大限度地提高允许的系统增益和接收器增益就成了一项挑战。Airvine通过优化前端和天线,将尽可能多的EIRP放在天线上,从而实现了这一目标。这就意味着要缩小发射波束,同时减少旁瓣和其他不希望出现的假象。这样做的结果,实际上是调整了从调制解调器到射频收发器再到天线的整个射频数据链,使60GHz频段的NLoS连接成为可能。这些技术是5所示Airvine WaveTunnel™节点的基础。这些节点与Airvine的VineSuite控制和监控软件相结合,可配置成一个网络,在需要高数据传输速率的NLoS应用中提供每秒千兆比特的60GHz连接。

5 Airvine WaveTunnel节点穿墙通信。

结论

60GHz前景光明。通过精心的系统级设计,Airvine WaveTunnel节点表明,60GHz的NLoS链路确实是可行的。这一进展非常及时,因为局域网正被推动做更多的事情,为更多设备和应用提供连接。未来大多数企业和住宅应用以及设备使用都将在室内进行,通常使用宽带无线连接。这种连接可以是Wi-Fi、专用5G或其他技术,而从接入点进行无线千兆比特回程现在已经成为可能。


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