[论文解读] On the Feasibility of Multi-Mode Antennas in UWB and IoT Applications below 10 GHz

Nils L. Johannsen, Nikolai Peitzmeier+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2019

Antenna Design and Analysis参考文献 14被引用 33

一句话总结

该论文提出了一种多模式天线，每个辐射元最多具备八个正交端口，可在10 GHz以下频段实现高达100+ Gb/s的高速率通信和稳健的物联网连接。通过利用特征模理论与对称性，该天线可同时支持超宽带（UWB）的多流波束成形和物联网的单元素波束成形，通过模式选择实现最高6 dBi的增益，通过模式组合实现额外2 dB的增益，显著提升了链路预算和容量性能，且硬件开销极低。

ABSTRACT

While on the one hand 5G and B5G networks are challenged by ultra-high data rates in wideband applications like 100+ Gbps wireless Internet access, on the other hand they are expected to support reliable low-latency Internet of Things (IoT) applications with ultra-high connectivity. These conflicting challenges are addressed in a system proposal dealing with both extremes. In contrast to most recent publications, focus is on the frequency domain below 10~GHz. Towards this goal, multi-mode antenna technology is used and different realizations, offering up to eight uncorrelated ports per radiator element, are studied. Possible baseband architectures tailored to multi-mode antennas are discussed, enabling different options regarding precoding and beamforming.

研究动机与目标

• 解决子10 GHz频段内对超高速率与海量低数据速率物联网连接之间的冲突需求。
• 提出一种基于对称性与特征模理论的系统化多模式天线设计方法，以实现高端口正交性。
• 在基站与移动终端中，利用多模式天线实现灵活的波束成形策略——包括多流波束成形与单元素波束成形。
• 在真实的超宽带与物联网场景下，评估单元素波束成形与多模式阵列波束成形的性能增益。
• 在考虑实际硬件成本的前提下，评估容量和距离、端口数量之间的关系。

提出的方法

• 利用对称平面辐射元（如六边形形状）的特征模分析设计多模式天线，以识别正交辐射模式。
• 通过在电流极大值/极小值处采用电感或电容耦合方式激励，实现对特定特征模的独立激励。
• 将多模式天线建模为多个均匀平面阵列的叠加，每个阵列对应一个可激励的模式。
• 在基站采用混合波束成形与数字波束成形架构，在移动终端采用基于模式选择或组合的单元素波束成形。
• 使用WINNER II A1非视 Line-of-Sight（NLOS）信道模型，结合迫零预编码（ZF precoding）与DVB-S2编码，模拟不同距离下的容量性能。
• 通过Kronecker信道模型评估端口正交性，考虑收发端影响后，可容忍相关性低至-9 dB。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在子10 GHz频段内，通过利用对称性与特征模理论，高效设计出最多具备八个正交端口的多模式天线？
• RQ2 在物联网应用中，基于多模式天线的单元素波束成形能在多大程度上提升链路预算与可靠性？
• RQ3 每个辐射元的端口数量（4、6、8）在超宽带与物联网场景下，对可实现容量与通信范围有何影响？
• RQ4 在单元素波束成形中，模式组合相比模式选择能带来多大性能增益？
• RQ5 系统对端口正交性不完美具有多强的鲁棒性？实际实现中可容忍的相关性水平是多少？

主要发现

• 通过模式选择实现的单元素波束成形在宽广的波束角度范围内可实现约6 dBi的峰值增益，显著提升物联网设备的链路预算。
• 通过波束成形实现的多模式组合利用相长干涉，相比单模式选择可额外获得2 dB增益，进一步提升数字波束成形性能。
• 每个辐射元的端口数量越多，容量性能越高，8端口配置相比4端口与6端口设计，可实现更高的数据速率与更远的通信距离。
• 系统对端口相关性具有强鲁棒性，可容忍高达-9 dB的相关性功率（已考虑收发端影响），支持实际部署。
• 基于码本的模式选择方法在仅使用开关实现最优点波束选择的前提下，实现了接近最优的性能，且硬件复杂度极低。
• 基于对称性与特征模分析的所提设计流程，可实现系统化、可扩展的多模式天线设计，具备高端口正交性，且结构修改极少。