论文速览 | IEEE AWPL, 2024 | Near-Field Calibration of Millimeter-Wave Massive MIMO Antenna Array Using
论文速览 | IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2024 | 基于球形反射体的毫米波大规模MIMO天线阵列近场校准 | Near-Field Calibration of Millimeter-Wave Massive MIMO Antenna Array Using Sphere Reflectors
1 引言
伴随6G网络时代的兴起，在这个新时代里我们迎来了一个能够容纳前所未有的数量用户与设备的时代
毫米波大规模MIMO基于频率调制连续波（FMCW）雷达 在多普勒效应、距离测量和成像方面展现出卓越的精度，并被认为是6G系统中联合通信与传感应用的理想解决方案。然而，在毫米波频段上工作带来了挑战：由于天线阵列和前端电路设计的空间紧凑性导致的高度敏感性问题——包括延迟偏差、频率响应偏移、幅度不均匀性、相位漂移以及耦合失真等关键参数偏差——这些问题将直接影响到FMCW雷达系统的感知性能与成像效果。因此，在6G无线通信系统中实现高性能FMCW雷达技术的应用前提下,精确且高效的标定工作 是不可或缺的关键环节。
2 动机
对于毫米波大规模MIMO阵列系统而言,远场校准方案确实是一种可行的技术手段,然而由于其受限于阵列尺寸平方的增长特性,这种技术逐渐暴露出其局限性.相比之下,在近场校准技术方面已取得的研究成果更为丰富和完善.近年来,我们团队致力于探索一种无需依赖有源标定目标、声学消音腔或专业测试设备的新颖高效标定方法.该方法具备广泛的适用性和良好的实用性,能够显著提升测量效率的同时降低实验条件要求.
3 方法
3.1 系统和误差模型
如图1(a)所示，在我们开发的方案中，基于球形反射体设计了该近场阵列校准程序。垂直线表示MIMO阵列，在其右侧放置了球形反射体。校准过程涉及遍历所有发射天线与接收天线的配对关系。当发射天线A发送校准信号时，在接收天线上观察到由球体反射回来的信号。基于已知各天线与球体间的几何关系计算传播路径，并模拟理想状态下应接收的理想信号。
误差模型 如图1b所示, 包含多种误差来源。这些误差主要来源于延迟、幅度以及相位的偏差等。对于所有发射与接收天线对, 固有乘法误差可以用以下公式表示:
H = h_t h_r^T
在其中，在发射链路和接收链路中分别存在误差向量h_t和h_r. 同时考虑到信号泄漏误差的影响. 其实际接收信号矩阵的具体形式如下所示：
S_r = H S + C + V
3.2 校准步骤
为了抵消加性干扰，我们采用了背景消减技术，并通过利用空旷区域和反射面接收到的回声信号进行差异计算以抵消加性误差。针对乘性干扰，则利用已知传播延迟\tau_{mn}构建测量矩阵S。校正过程最终转化为计算发射与接收天线对间的传播路径。
3.3 传播路径计算
基于费马镜面反射原理可知, 反射点 E 应当使得路径总长 |AE| + |BE| 达到最小值. 由此可见, 在计算每对发射和接收天线之间的传播路径时, 确定反射点的位置至关重要. 我们采用近似算法以提高路径长度估计的精度, 具体步骤如下:
第一步：确定反射点E_{est}作为初步估计值。
第二步：测量三角形A_{est}E_{est}B_{est}的边长长度。
第三步：根据数学推导得出更为精确的反射点位置关系：
角\angle E_{est}O B = \frac{\angle B O A}{2}。
其中，
-
E_{est}表示初始估计值
-
A_{est}, B_{est}表示对应的初始位置
-
O为极点
- 最终得到传播路径|AE| + |BE|。
4 实验和结果
4.1 仿真实验
该研究采用图像重建实验系统对新提出的校正方案进行了有效性验证。
经仿真的对比分析显示，在未经过任何校正的情况下进行点目标成像是高度模糊的；
而当我们应用该方法完成图像校正后，则能够获得高质量的图像数据。
4.2 实际实验
我们通过实地空域实验进一步验证了所提出的方法。其中包含9组子阵列共1,327,104对发射与接收天线对。实验证明校准后的成像结果能够清晰呈现测试目标的空间分布特征及其内部结构细节，并展示了良好的应用前景
5 不足和未来展望
虽然我们的校准方法在实验中显示出良好的效果，但其仍存在一些缺陷需进一步探讨并寻求解决方案。
- 复杂的环境下进行的校准工作：当反射体处于复杂环境时，其形态及其位置参数可能会对最终的标定结果产生影响；未来研究应着重于开发更具鲁棒性的标定方法。
- 基于批量处理模式下的数据处理技术研究：当前标定方法多集中于离线处理模式；将其拓展至实时处理阶段成为未来研究重点的方向。
- 硬件平台支持下的高效算法开发：如何在实际应用中部署高效的算法以满足实时性需求仍面临诸多挑战。
6 总结
该研究设计了一种基于球形反射体的毫米波大规模MIMO天线阵列近场校准方案。通过建立系统的数学模型并进行误差评估，我们成功开发出一种低计算复杂度的闭式解算器。仿真实验与实际测试结果表明该方法具有较高的精确度与有效性。展望未来，在6G通信系统的大规模MIMO阵列校准领域中，本方法有望发挥重要作用并被广泛采用。