[论文解读] Lens-Based Beamformer for Low-Complexity Millimeter-Wave Cellular Systems

Muhammad Ali Babar Abbasi|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Microwave Engineering and Waveguides被引用 5

一句话总结

本文提出两种针对28 GHz毫米波大规模MIMO系统的低复杂度透镜波束成形器拓扑结构：两级堆叠Rotman透镜波束成形器和恒介电常数εr的介质透镜波束成形器。Rotman透镜设计实现了9根射频链路的双平面波束赋形，波束宽度为4.0°–4.5°，增益高；而介质透镜支持多波束操作，旁瓣电平低、方向性高，显著降低了射频链路数量和系统复杂度，同时不牺牲频谱效率。

ABSTRACT

Data rate requirements for cellular communications are expected to increase 1000-fold by 2020, compared to 2010. This is mainly because of the rapid increase in the number of wireless devices and data hungry applications per-device. This creates a formidable bandwidth crisis. Milimeter-wave (mmWave) systems with massive multiple-input multiple-output (MIMO) operation are two complementary concepts poised to meet this exploding demand, as verified by the wealth of investigations by both industry and academia. Nevertheless, existing MIMO processing techniques, requiring a dedicated radio-frequency (RF) up/down-conversion chain per antenna, results in prohibitively high complexity and cost of the mmWave prototypes. The primary objective of this paper is to present a complete feasibility study on alternative beamforming techniques targeted to reduce the system complexity without drastically compromising its performance. More precisely, at 28 GHz, we investigate the end-to-end performance of two different lens-based beamforming topologies. Our study is an amalgam of theoretical modelling, electromagnetic design, and prototype manufacturing, yielding a comprehensive mmWave, massive MIMO performance evaluation.

研究动机与目标

• 解决传统毫米波大规模MIMO系统因每阵元配备射频链路而导致的高硬件复杂度与成本问题。
• 探索基于透镜的替代波束成形架构，以减少射频链路数量和系统复杂度。
• 设计并验证两种不同的透镜波束成形器拓扑结构：两级堆叠Rotman透镜与恒介电常数εr的介质透镜。
• 从波束宽度、增益、方向性及频谱效率等方面，评估上行链路大规模多用户MIMO系统的端到端性能。
• 通过全链路设计、仿真及原型级验证，在28 GHz频段证明其可行性。

提出的方法

• 设计了一个3×5阵列元（URA），采用同轴馈电的微带贴片天线，中心频率为28 GHz，优化后效率达88%，并集成SMP连接器。
• 实现两级堆叠Rotman透镜波束成形器：水平级用于方位角波束赋形，垂直级用于俯仰角波束赋形，采用三焦点透镜综合与优化方法。
• 采用多步骤仿真流程，结合CST MS、ADS与CST DS，实现全波FDTD仿真，精确集成连接器与传输线结构。
• 设计了介电常数εr = 2.53的恒εr介质透镜，通过优化贴片辐射元在Petzval曲面上的位置，实现多波束聚焦。
• 在CST MS中使用MLFMM与FDTD求解器，模拟电场分布、波束图及互耦效应。
• 在射频链路中实施功率均衡，以平衡波束宽度，并缓解因端口特定损耗导致的性能失衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 两级堆叠Rotman透镜波束成形器是否能在28 GHz频段实现有效双平面（方位角与俯仰角）波束赋形，同时减少射频链路数量？
• RQ2 与单级设计相比，基于Rotman透镜的波束成形器在大规模MU-MIMO系统中可实现的波束宽度、增益与频谱效率如何？
• RQ3 当在Petzval曲面上激励时，恒εr介质透镜是否能支持具有高方向性与低旁瓣电平的多波束操作？
• RQ4 透镜引入的相位误差与端口特定损耗如何影响透镜波束成形器的波束图对称性与波束宽度均匀性？
• RQ5 在毫米波MIMO系统中，透镜波束成形器在保持频谱效率的前提下，能在多大程度上减少射频链路需求？

主要发现

• 两级堆叠Rotman透镜波束成形器在9根射频链路下实现了约12.5 dBi的峰值实用增益，支持双平面波束赋形。
• 波束波宽在不同波束间存在差异：方位角HPBW为24.2°至30.6°，俯仰角HPBW为29.0°至47.1°，表明因端口特定损耗导致波束宽度失衡。
• 恒εr介质透镜波束成形器实现了最窄4.0°的HPBW，峰值增益约为18.5 dBi，波束宽度保持在4.0°–4.5°之间，增益偏差不超过±0.4 dB。
• 整个系统从射频输入到辐射元件的平均路径损耗约为8.52 dB，主要源于透镜与传输线损耗。
• 所提出的两级Rotman透镜波束成形器在遍历和速率谱效率方面优于单级设计，尤其在高信噪比（SNR）条件下，得益于多径分量的更好分离。
• 介质透镜波束成形器表现出高方向性与低旁瓣电平，但表面波构成挑战，可通过使用高方向性辐射器缓解，尽管这需要亚100 μm的制造精度。