高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

面向6G的最优和次优毫米波大规模波束成形阵列架构

洪伟 徐俊 陈继新 郝张成 周健义 于志强 杨广琦 蒋之浩 余超 胡云 侯德彬 朱晓维 陈喆 周培根

洪伟, 徐俊, 陈继新, 郝张成, 周健义, 于志强, 杨广琦, 蒋之浩, 余超, 胡云, 侯德彬, 朱晓维, 陈喆, 周培根. 面向6G的最优和次优毫米波大规模波束成形阵列架构[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250109
引用本文: 洪伟, 徐俊, 陈继新, 郝张成, 周健义, 于志强, 杨广琦, 蒋之浩, 余超, 胡云, 侯德彬, 朱晓维, 陈喆, 周培根. 面向6G的最优和次优毫米波大规模波束成形阵列架构[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250109
HONG Wei, XU Jun, CHEN Jixin, HAO Zhangcheng, ZHOU Jianyi, YU zhiqiang, YANG Guangqi, JIANG Zhihao, YU Chao, HU Yun, HOU Debin, ZHU Xiaowei, CHEN Zhe, ZHOU Peigen. Optimal and Suboptimal Architectures of Millimeter-wave Large-scale Arrays for 6G[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250109
Citation: HONG Wei, XU Jun, CHEN Jixin, HAO Zhangcheng, ZHOU Jianyi, YU zhiqiang, YANG Guangqi, JIANG Zhihao, YU Chao, HU Yun, HOU Debin, ZHU Xiaowei, CHEN Zhe, ZHOU Peigen. Optimal and Suboptimal Architectures of Millimeter-wave Large-scale Arrays for 6G[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250109

面向6G的最优和次优毫米波大规模波束成形阵列架构

doi: 10.11999/JEIT250109
基金项目: 国家自然科学基金(62188102, 62301152),江苏省重大项目(BG2024034),江苏省自然科学基金(BK20230819)
详细信息
    作者简介:

    洪伟:男,教授,研究方向为毫米波太赫兹器件、电路与系统

    徐俊:男,副研究员,研究方向为毫米波太赫兹器件、电路与系统

    陈继新:男,教授,研究方向为毫米波太赫兹射频集成电路与系统

    郝张成:男,教授,研究方向为毫米波太赫兹器件、电路与系统

    周健义:男,教授,研究方向为毫米波射频电路与系统

    于志强:男,讲师,研究方向为毫米波射频电路与系统

    杨广琦:男,讲师,研究方向为通信基带信号处理

    蒋之浩:男,教授,研究方向为毫米波太赫兹阵列技术

    余超:男,教授,研究方向为射频功率放大器建模及线性化

    胡云:男,高级工程师,研究方向为毫米波电路与系统

    侯德彬:男,副教授,研究方向为毫米波太赫兹射频集成电路及封装

    朱晓维:男,教授,研究方向为毫米波器件、电路与系统

    陈喆:男,副教授,研究方向为毫米波太赫兹射频集成电路与系统

    周培根:男,助理研究员,研究方向为毫米波太赫兹射频集成电路与系统

    通讯作者:

    徐俊 junxu@seu.edu.cn

  • 中图分类号: TN925

Optimal and Suboptimal Architectures of Millimeter-wave Large-scale Arrays for 6G

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62301152, 62188102), The Major Project of Jiangsu Province (BG2024034), The Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20230819)
  • 摘要: 波束成形(Beamforming)阵列技术是现代无线电系统的核心使能技术,其发展历程贯穿电磁学理论突破、半导体工艺革新和系统体制迭代3个维度。移动通信的演进进一步驱动了波束成形阵列技术的发展,特别地,混合波束成形阵列技术在5G 3GPP Release 15标准中被确立为5G毫米波通信的关键技术之一。为适应未来6G通信与感知的需求,毫米波波束成形阵列技术将向超大规模(>1 000单元)、智能化(AI赋能)、异构(光电量融合)方向持续演进,为构建泛在智能连接提供核心使能基础。该文主要探讨面向6G毫米波通信的最优和次优大规模波束成形阵列架构。
  • 图  1  大规模波束成形阵列的分类

    图  2  模拟域波束成形架构

    图  3  数字域波束成形大规模阵列架构

    图  4  混合域波束成形阵列架构

    图  5  对称全数字多波束阵列架构

    图  6  非对称全数字多波束阵列架构

    图  7  5G毫米波4相控子阵混合波束成形阵列原理示意图

    图  8  空间维正交大规模混合多波束阵列架构

    图  9  空间维正交大规模混合多波束阵列波束扫描示意图

    表  1  不同架构波束成形阵列性能及成本对比

    波束成形架构 功耗 体积 波束数量 成本 复杂度 综合性能1)
    模拟域波束成形阵列 无源 基于无源波束成型网络的多波束阵列
    单波束无源相控阵 较低 较低
    多波束无源相控阵 较小 较低 较低
    有源 射频移相单/
    多波束波束成形阵列
    中(单)/
    较高(多)
    较小(单)/
    中(多)
    少(单)/
    较少(多)
    中(单)/
    中(多)
    中(单)/
    较高(多)
    中(单)/
    较高(多)
    中频移相单/
    多波束波束成形阵列
    较低(单)/
    中(多)
    较小(单)/
    中(多)
    少(单)/
    较少(多)
    较低(单)/
    中(多)
    中(单)/
    较高(多)
    较低(单)/
    中(多)
    本振移相波束 较低 较小 较低
    液晶相移单/
    多波束
    较低(单)/
    中(多)
    较小(单)/
    中(多)
    少(单)/
    较少(多)
    较低(单)/
    中(多)
    中(单)/
    较高(多)
    中(单)/
    较高(多)
    n-bit空馈反射阵 较低 较低 较低 较低
    n-bit空馈透射阵 较低 较低 较低 较低
    数字域波束成形阵列 对称全数字波束成形阵列
    非对称全数字波束成形阵列 较小 较多
    混合域波束成形阵列 空间维非正交 相控子阵+数字波束成形(5G毫米波,…) 较小 较少
    空间维正交 模拟无源+数字波束成形 较小
    模拟有源+数字波束成形 较小 较高
    无源波束成形网络+数字波束成形 较多 较高
    1)考虑阵列EIRP、波束数量、波束灵活性、波束覆盖范围等在内的综合性能
    下载: 导出CSV
  • [1] 王映民, 孙韶辉, 高秋彬. 5G传输关键技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2016: 12–13.

    WANG Yingmin, SUN Shaohui, and GAO Qiubin. 5G Transmission Key Technologies[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2016: 12–13.
    [2] 张传福, 赵立英, 张宇. 5G移动通信系统及关键技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2018: 25–30.

    ZHANG Chuanfu, ZHAO Liying, and ZHANG Yu. 5G Mobile Communication System and Key Technologies[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2018: 25–30.
    [3] 王映民, 孙韶辉. 5G移动通信系统设计与标准详解[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2020: 1–4.

    WANG Yingmin and SUN Shaohui. System Design and Standards of 5G New Radio Mobile Communications[M]. Beijing: Posts & Telecom Press, 2020: 1–4.
    [4] 张平, 王卫东. 5G毫米波通信技术与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2021: 33–35.

    ZHANG Ping and WANG Weidong. 5G Millimeter Wave Communication Technology and Applications[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2021: 33–35.
    [5] HONG Wei, JIANG Zhihao, YU Chao, et al. Multibeam antenna technologies for 5G wireless communications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2017, 65(12): 6231–6249. doi: 10.1109/TAP.2017.2712819.
    [6] HONG Wei, JIANG Zhihao, YU Chao, et al. The role of millimeter-wave technologies in 5G/6G wireless communications[J]. IEEE Journal of Microwaves, 2021, 1(1): 101–122. doi: 10.1109/JMW.2020.3035541.
    [7] YANG Binqi, YU Zhiqiang, LAN Ji, et al. Digital beamforming-based massive MIMO transceiver for 5G millimeter-wave communications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2018, 66(7): 3403–3418. doi: 10.1109/TMTT.2018.2829702.
    [8] KUAI Le, CHEN Jixin, JIANG Zhihao, et al. A N260 band 64 channel millimeter wave full-digital multi-beam array for 5G massive MIMO applications[J]. IEEE Access, 2020, 8: 47640–47653. doi: 10.1109/ACCESS.2020.2978070.
    [9] GUO Chong, HONG Wei, TIAN Ling, et al. Design and implementation of a full-digital beamforming array with nonreciprocal Tx/Rx beam patterns[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2020, 19(11): 1978–1982. doi: 10.1109/LAWP.2020.2977061.
    [10] LIN Qingqing, XU Jun, CHEN Kai, et al. A single-board integrated millimeter-wave asymmetric full-digital beamforming array for B5G/6G applications[J]. Engineering, 2024, 41: 35–50. doi: 10.1016/j.eng.2024.04.013.
    [11] GAO Xinyu, DAI Linglong, HAN Shuangfeng, et al. Energy-efficient hybrid analog and digital precoding for MmWave MIMO systems with large antenna arrays[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2016, 34(4): 998–1009. doi: 10.1109/JSAC.2016.2549418.
    [12] VENKATESWARAN V, PIVIT F, and GUAN Lei. Hybrid RF and digital beamformer for cellular networks: Algorithms, microwave architectures, and measurements[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2016, 64(7): 2226–2243. doi: 10.1109/TMTT.2016.2569583.
    [13] BUSARI S A, HUQ K M S, MUMTAZ S, et al. Millimeter-wave massive MIMO communication for future wireless systems: A survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2018, 20(2): 836–869. doi: 10.1109/COMST.2017.2787460.
    [14] UWAECHIA A N and MAHYUDDIN N M. A comprehensive survey on millimeter wave communications for fifth-generation wireless networks: Feasibility and challenges[J]. IEEE Access, 2020, 8: 62367–62414. doi: 10.1109/ACCESS.2020.2984204.
    [15] KEBEDE T, WONDIE Y, STEINBRUNN J, et al. Precoding and beamforming techniques in mmWave-massive MIMO: Performance assessment[J]. IEEE Access, 2022, 10: 16365–16387. doi: 10.1109/ACCESS.2022.3149301.
  • 加载中
图(9) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  278
  • HTML全文浏览量:  243
  • PDF下载量:  71
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2025-02-24
  • 修回日期:  2025-03-28
  • 网络出版日期:  2025-04-03

目录

    /

    返回文章
    返回