毫米波信道中波束成形矢量的波束宽度

doi:10.11959/j.issn.1000-0801.2022288

电信科学 ›› 2022, Vol. 38 ›› Issue (11): 47-56.doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2022288

毫米波信道中波束成形矢量的波束宽度

楼斌剑, 王海泉, 黄怡, 李紫薇, 俞芸芸

杭州电子科技大学，浙江杭州 310018

修回日期:2022-11-10 出版日期:2022-11-20 发布日期:2022-11-01
作者简介:楼斌剑（1998- ），男，杭州电子科技大学硕士生，主要研究方向为信号与信息处理
王海泉（1964- ），男，博士，杭州电子科技大学教授、博士生导师，主要研究方向为无线通信、多天线系统、信号检测、信息论等
黄怡（1987- ），女，杭州电子科技大学博士生，主要研究方向为无线通信、多天线系统、信号检测、信息论等
李紫薇（1998- ），女，杭州电子科技大学硕士生，主要研究方向为信号与信息处理
俞芸芸（1997- ），女，杭州电子科技大学硕士生，主要研究方向为信号与信息处理

Beamwidth of beamforming vectors in millimeter-wave channels

Binjian LOU, Haiquan WANG, Yi HUANG, Ziwei LI, Yunyun YU

Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China

Revised:2022-11-10 Online:2022-11-20 Published:2022-11-01

摘要/Abstract

摘要：

波束成形矢量技术能够集中所发送的能量于某一指定区域，从而提高系统性能，是5G的核心技术之一。但正是由于能量被集中这一特点，信道的任何变化都可能会使接收方越出此特定区域，从而使系统的鲁棒性能降低。波束成形矢量的波束宽度这一概念就是衡量这对矛盾的指标之一。已有的波束宽度大多针对天线而言，并非针对波束成形矢量。针对波束成形矢量，借助格拉斯曼流形中的概念，给出并研究了波束宽度的定义，在此基础上，探讨了拓宽波束宽度的方法。研究发现，天线数越多，能量越能够集中，但波束宽度受限，从而鲁棒性越弱。

关键词: 毫米波, 波束成形, 波束宽度, 格拉斯曼流形, 波束拓宽

Abstract:

The beamforming technology is one of the core technologies in 5G and it can concentrate the transmitted energy in a specified area, thereby improving the performance of the system.But it is because of this feature that the energy is concentrated，any changes of the channel may cause to keep the receiver outside the specified area, and therefore, the performance of robustness is reduced.The concept of the beam width of a beamforming is one of the indicators to measure this tradeoff.Existing definition of beam widths are based on antennas, not on beamforming.Interms of beamforming, the definition of beam width was given and studied with the help of the concept in Grassmannian manifolds.On this basis, the method of beam width was discussed.It is found that the beam width of beamforming is closely related to the number of the transmitting antennas.The more the number of antennas, the more concentrated the energy, and the weaker robustness is.

Key words: millimeter wave, beamforming, beam width, Grassmannian manifold, beam broadening

中图分类号:

TN91

楼斌剑, 王海泉, 黄怡, 李紫薇, 俞芸芸. 毫米波信道中波束成形矢量的波束宽度[J]. 电信科学, 2022, 38(11): 47-56.

Binjian LOU, Haiquan WANG, Yi HUANG, Ziwei LI, Yunyun YU. Beamwidth of beamforming vectors in millimeter-wave channels[J]. Telecommunications Science, 2022, 38(11): 47-56.

图/表 7

图1

图2

图3

表1

3种波束的波束宽度"

天线数/根	$f_{S} (ϕ = 0) / rad$	$f_{I} / rad$	$f_{λ} (λ = \frac{\sqrt{2}}{2}) / rad$
16	0.254 4	0.262 8	0.264 6
32	0.127 0	0.131 6	0.132 2
48	0.084 6	0.087 7	0.088 1
64	0.063 5	0.065 8	0.066 1
96	0.042 3	0.043 9	0.044 1
128	0.031 7	0.032 9	0.033 0
150	0.027 1	0.028 1	0.028 2
192	0.021 2	0.021 9	0.022 0
256	0.015 9	0.016 4	0.016 5

表1

图4

表2

表3

参考文献 15

[1]	XIAO M , MUMTAZS , HUANG Y M ,et al. Millimeter wave communications for future mobile networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2017,35(9): 1909-1935.
[2]	HEMADEH I A , SATYANARAYANA K , EL-HAJJAR M , ,et al. Millimeter-wave communications:physical channel models,design considerations,antenna constructions,and link-budget[J]. IEEE Communications Surveys ＆ Tutorials, 2018,20(2): 870-913.
[3]	何世文, 黄永明, 王海明 ,等. 毫米波无线通信发展趋势及技术挑战[J]. 电信科学, 2017,33(6): 11-20.
	HE S W , HUANG Y M , WANG H M ,et al. Development trend and technological challenges of millimeter-wave wireless communication[J]. Telecommunications Science, 2017,33(6): 11-20.
[4]	赵珈琪 . 高铁通信中面向波束切换的波束成形方法研究[D]. 南京:南京邮电大学, 2021.
	ZHAO J Q . Research on beamforming methods for beam switching in high speed railway communications[D]. Nanjing:Nanjing University of Posts and Telecommunications, 2021.
[5]	谢坚筱 . 面向毫米波无线通信的波束成形关键技术研究[D]. 北京:北京邮电大学, 2020.
	XIE J Y . Research of key technologies of beamforming for millimeter wave wireless communication[D]. Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications, 2020.
[6]	张仁民 . 毫米波通信系统多分辨率码本设计与低开销波束训练技术研究[D]. 南京:东南大学, 2019.
	ZHANG R M . Multi-resolution codebook design and low-overhead beam training for millimeter-wave communications[D]. Nanjing:Southeast University, 2019.
[7]	李贝, 胡煜华, 王鑫炎 ,等. 5G网络SSB 1+X波束技术应用研究[J]. 电信科学, 2022,38(1): 150-158.
	LI B , HU Y H , WANG X Y ,et al. Research on SSB 1+X beam technology of 5G network[J]. Telecommunications Science, 2022,38(1): 150-158.
[8]	CALLAGHANP , YOUNG P R . Beam-and band-width broadening of intelligent reflecting surfaces using elliptical phase distribution[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2022,PP(99): 1.
[9]	RAJAGOPAL S , . Beam broadening for phased antenna arrays using multi-beam sub arrays[C]// Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Communications. Piscataway:IEEE Press, 2012: 3637-3642.
[10]	KERCE J C , BROWN G C , MITCHELL M A . Phase-only transmit beam broadening for improved radar search performance[C]// Proceedings of 2007 IEEE Radar Conference. Piscataway:IEEE Press, 2007: 451-456.
[11]	DANIEL B K , ANDERSON A L . Phase-only beam broadening of contiguous uniform sub arrayed arrays[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2020,56(5): 4001-4013.
[12]	ZENG X N , ZHANG Y S , HE F ,et al. Practical beam broadening for space-borne SAR using phase-only pattern synthesis[C]// Proceedings of 2011 International Conference on Wireless Communications and Signal Processing (WCSP). Piscataway:IEEE Press, 2011: 1-4.
[13]	FONTENEAU C , CRUSSIèRE M , JAHAN B . A systematic beam broadening method for large phased arrays[C]// Proceedings of 2021 Joint European Conference on Networks and Communications ＆ 6G Summit (EuCNC/6G Summit). Piscataway:IEEE Press, 2021: 7-12.
[14]	ELSHAFIY A , SAMPATH A . Beam broadening for 5G millimeter wave systems[C]// Proceedings of 2019 IEEE Wireless Communications and Networking Conference. Piscataway:IEEE Press, 2019: 1-6.
[15]	RAGHAVAN V , CEZANNEJ , SUBRAMANIANS ,et al. Beamforming tradeoffs for initial UE discovery in millimeter-wave MIMO systems[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 2016,10(3): 543-559.

毫米波信道中波束成形矢量的波束宽度

Beamwidth of beamforming vectors in millimeter-wave channels

在线阅读

PDF下载

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 7

参考文献 15

相关文章 15

Metrics

推荐阅读 0

天线数/根	16	32	48	64	96	128	150	192	256
波束宽度/rad	0.171 8	0.086 2	0.055 4	0.043 2	0.028 1	0.021 4	0.018 1	0.015 2	0.0119

天线数/根	16	32	48	64	96	128	150	192	256
波束宽度/rad	0.172 5	0.086 3	0.055 6	0.043 2	0.028 1	0.021 4	0.018 1	on.DSMT	0.011 9

[1]	武智炜, 王海泉, 李美慧, 张欣禹, 钱淘鑫. 基于子空间的指数和分解及在信道估计中的应用[J]. 电信科学, 2023, 39(4): 52-59.
[2]	王晖, 邰其心, 刘镠, 王鸿, 宋荣方. 基于GSIC的上行链路毫米波大规模MIMO-NOMA系统低功耗传输方法[J]. 电信科学, 2023, 39(1): 51-59.
[3]	胡小玲, 于周源, 钱骁伟, 彭木根. 智能超表面系统的通信感知一体化：现状、设计与展望[J]. 电信科学, 2022, 38(9): 36-49.
[4]	陆健贤, 黄济丘, 胡明星, 林衡华. 基于LTE测量报告的2.1 GHz和3.5 GHz 5G SA覆盖评估方法[J]. 电信科学, 2022, 38(6): 131-142.
[5]	徐溯, 张际, 刁杨华, 刘元莹, 张懿. 基于混合光电传输的无人机中继通信系统性能分析[J]. 电信科学, 2022, 38(4): 113-120.
[6]	高子路, 孙韶辉, 李丽. 面向新一代移动通信的智能超表面技术综述[J]. 电信科学, 2022, 38(10): 20-35.
[7]	胡馨元, 邓若琪, 邸博雅, 张泓亮, 宋令阳. 可重构全息超表面辅助卫星通信关键技术[J]. 电信科学, 2022, 38(10): 46-56.
[8]	许晓荣, 朱薇薇, 包建荣, 朱卫平, 冯维, 姚英彪. IRS辅助的SWIPT系统中基于能效优先的波束成形设计与优化[J]. 电信科学, 2022, 38(1): 36-46.
[9]	李艳丽, 林志, 王子宁, 许拔, 程铭, 欧阳键. 基于无人机中继的星地认知网络波束成形算法[J]. 电信科学, 2021, 37(8): 27-37.
[10]	陈浩椅, 李光球, 李辉. 基于IAFS算法的毫米波大规模MIMO混合预编码方法[J]. 电信科学, 2021, 37(8): 77-84.
[11]	章坚武, 王路鑫, 孙玲芬, 章谦骅, 单杭冠. 人工智能在5G系统中的应用综述[J]. 电信科学, 2021, 37(5): 14-31.
[12]	闫富朝,刘怡良,韩帅,孟维晓. 空天地通信网络中物理层安全技术综述[J]. 电信科学, 2020, 36(9): 1-13.
[13]	邱佳锋. 基于优化BM3D的毫米波大规模MIMO信道估计[J]. 电信科学, 2020, 36(9): 44-50.
[14]	王璀,潘鹏,张帅,严军荣. 毫米波MIMO发射机中的低复杂度动态子阵列组合方法[J]. 电信科学, 2020, 36(8): 92-102.
[15]	邱佳锋. 宽带毫米波大规模MIMO系统中低复杂度波束域信道估计[J]. 电信科学, 2020, 36(8): 122-129.