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OFDM-PASS:捏合天线系统的频率选择性建模

摘要

文章首次提出OFDM与捏合天线系统(PASS)的集成方案,建立基于耦合模理论的端到端信道模型,揭示波导色散与天线耦合的频率选择性效应。关键发现包括:1)当工作频率接近波导截止频率(f₀=15GHz)时,循环前缀(CP)开销剧增,频谱效率下降达40%;2)基于路径损耗最小化的天线位置近似策略导致宽带相位失准,在2GHz带宽下相位波动超120°;3)频率选择性引起子载波可达率波动>3bps/Hz,需在f>1.2f₀区域运行以保证通信有效性。该研究为毫米波频段可重构无线系统设计提供理论支撑。

1. 引言

无线通信系统的发展一直由天线技术的进步推动,从传统的多输入多输出系统到新兴的灵活MIMO范式。虽然典型的灵活MIMO技术(如流体和可移动天线)提供了更好的适应性,但在稳健缓解严重的大尺度衰落方面仍面临重大挑战。这在高频通信频段尤为突出,信号固有地遭受显著的传播衰减并且高度易受视距阻塞影响。

为解决这些持续性问题,夹持天线系统被提出来通过在介电波导上利用动态天线重新定位创建可控视距链路,从而直接减轻自由空间路径损耗并克服视距阻塞。由于PASS设计用于高频段,其中可用宽带宽进行高速率通信,自然需要研究PASS与典型正交频分复用技术的集成,以确保PASS的兼容性并充分挖掘其在现代宽带系统中的潜力。

2. OFDM PASS传输模型

2.1 波导中的频选传播建模

波导支持不同的传播模式,如横电模式或横磁模式,每种模式以截止频率为特征。频率低于截止频率的信号是倏逝波并迅速衰减,而高于截止频率的信号则传播。对于矩形波导中的主导模式,截止频率可简化为与波导宽度相关。

信号在波导中传输距离的传输函数由复传播常数描述,包括波导衰减系数和相位常数。衰减常数主要源于波导壁有限电导率导致的导体损耗和介质损耗角引起的介质损耗。相位常数在频率高于截止频率时为实数值,低于截止频率时为虚数值,导致高信号衰减。

2.2 波导-PA耦合机制

当导波与夹持天线相互作用时,产生的信号耦合原理可由耦合模理论描述。PA在子载波频率上的耦合效率取决于PA在波导上的耦合长度、频率相关耦合强度和相位失配。波导模式和PA模式的不同色散特性使得在所有子载波上同时实现完美相位匹配通常不可行。

通过求解耦合模方程,可以得到波导和PA中复振幅的演化。局部复耦合因子和波导中剩余复振幅比定义了信号在波导和PA之间的传输特性。整体有效复耦合因子封装了到PA的频率选择性耦合,考虑了所有前置PA的影响。

2.3 OFDM PASS的端到端有效信道增益

端到端有效信道增益包含波导内传播、波导-PA耦合和自由空间传播三个主要部分。总有效信道增益是来自所有PA位置的相干和。假设AP在子载波上发送符号,用户接收到的信号可以表示为信道增益、发送符号和高斯噪声的组合。

接收信噪比决定了子载波的可达速率,所有子载波的总可达速率考虑了带宽和循环前缀长度的影响。系统频谱效率受到CP开销的显著影响。

3. OFDM PASS性能分析

3.1 OFDM PASS中的CP需求

为防止OFDM PASS中的符号间干扰,OFDM CP时间长度必须超过最大信道延迟扩展。这主要源于两个来源:阵列长度上的波导色散和自由空间传播中的空间宽带效应。

波导传播中的最大差分延迟取决于群速度的变化和阵列孔径。自由空间传播延迟差异来自波导上不同位置的PA到用户的距离差异。足够的CP长度应满足总延迟扩展要求,数字实现中通过离散样本实现。

3.2 频无关PA位置近似的相位失配效应

根据建立的频选信道模型,推导最优PA位置的通用闭式解难以处理,需要解决非凸优化问题。波导衰减和级联耦合因子倾向于将PA放置在更靠近AP的位置以最大化可用信号功率,而最小化自由空间中的几何路径损耗则倾向于将PA放置在更靠近用户的位置。

为进行可处理的性能分析并建立评估这些频选现象影响的基线,采用简化和理想化的天线放置模型,仅关注频无关几何考虑。在中心频率的理想单载波PASS中,可以优化PA位置以最大化频无关几何路径增益。

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