sibsutisВестник СибГУТИThe Herald of the Siberian State University of Telecommunications and Information Science1998-6920СибГУТИ10.55648/1998-6920-2025-19-3-76-94sibsutis-979Research ArticleСтатьиИсследование ортогональности лучей антенной решеткиInvestigation of the orthogonality of antenna array beamshttps://orcid.org/0000-0003-0040-5764АлиевИсфандиёр ВакосовичAlievIsfandiyor Vakosovich

аспирант кафедры цифрового телерадиовещания и систем радиосвязи СибГУТИ

aliev_i_v@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2671-4258НосовВладимир ИвановичNosovVladimir Ivanovich

ЦТРВ и СРС, профессор, 5119-0176

nosov.nvi43@yandex.ruСибирский государственный университет телекоммуникаций и информатикиРоссияSiberian State University of Telecommunications and InformaticsRussian Federation202530092025193Вестник СибГУТИ7694Copyright © Алиев И.В., Носов В.И., 20252025Алиев И.В., Носов В.И.Aliev I.V., Nosov V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibsutis.ru/jour/article/view/979

Технология множественного ввода - множественного вывода (MIMO) благодаря системе формирования луча и управления направлением луча (beamforming) является ключевой технологией, которая оказывает существенное влияние на повышение спектральной эффективности систем беспроводной связи пятого поколения (5G). Основная идея данной технологии - пространственное разделение пользователей, одновременная передача символов нескольких пользователей на одном элементе частотно-временного ресурса за счет их пространственного мультиплексирования. Благодаря возможности многократного использования одинаковых частотно-временных ресурсов в различных лучах общей антенной системы растет эффективность использования полосы частот. Однако широкое использование в соседних лучах одинаковых частотно-временных ресурсов приводит к возникновению помех между соседними лучами (межлучевая интерференция) в антенной системе. Оценка уровня этой интерференции является одной из наиболее важных процедур при пространственном планировании современных беспроводных сетей. В данной статье предложены методика  определения влияния направления и ширины соседних лучей на уровень интерференции между этими лучами, позволяющая путём деления диаграммы направленности луча на доли, снижать уровень таких помех. Предложен также новый метод расположения соседних лучей, позволяющий уменьшить уровень интерференции между лучами. На основе проведённых исследований определён выигрыш от предложенной методики в скорости передачи в луче.

Multiple input – multiple output (MIMO) technology, thanks to the beamforming and beam direction control (beamforming) system, is a key technology that has a significant impact on improving the spectral efficiency of fifth-generation (5G) wireless communication systems. The main idea of this technology is spatial separation of users, simultaneous transmission of symbols of several users on one element of the time-frequency resource due to their spatial multiplexing. Due to the possibility of repeated use of the same time-frequency resources in different beams of a common antenna system, the efficiency of using the frequency band increases. However, the widespread use of the same time-frequency resources in neighboring beams leads to interference between neighboring beams (interbeam interference) in the antenna system. Estimating the level of this interference is one of the most important procedures in spatial planning of modern wireless networks. This article proposes a technique for determining the influence of the direction and width of neighboring beams on the level of interference between these beams, which makes it possible to reduce the level of such interference by dividing the beam pattern into fractions. A new method of arranging adjacent beams is also proposed, which makes it possible to reduce the level of interference between the beams. Based on the conducted research, the gain from the proposed technique in the transmission rate in the beam has been determined. 

MIMOформирование луча (beamforming)антенная решеткаметодика определения межлучевой интерференцииортогональные лучиMIMObeamformingantenna arraytechnique for determining interbeam interferenceorthogonal beamsReferencesАхмед, И.; Хаммари, Х.; Шахид, А.; Муса, А.; Ким, К.С.; Портер, Э.Д.; Моерман, И. Обзор гибридных методов формирования луча в 5G: перспективы архитектуры и системной модели. IEEE Commun. Surv. Tutor. 2018, 20, 3060–3097.Ahmed, I.; Khammari, H.; Shahid, A.; Musa, A.; Kim, K.S.; Poorter, E.D.; Moerman, I. A Survey on Hybrid Beamforming Techniques in 5G: Architecture and System Model Perspectives. IEEE Commun. Surv. Tutor. 2018, 20, 3060–3097.Махмуд, Н.Х.; Педерсен, К.И.; Могенсен, П. Межсотовая координация с учетом помех для систем 5G. IEEE Access 2017, 5, 2339–2350Mahmood, N.H.; Pedersen, K.I.; Mogensen, P. Interference aware inter-cell rank coordination for 5G systems. IEEE Access 2017, 5, 2339–2350.Фернандес, Ф.; Ашихмин, А.; Марцетта, Т.Л. Межсотовые помехи в неинтегрированных крупномасштабных антенных системах TDD. IEEE J. Sel. Areas Commun. 2013, 31, 192–201Fernandes, F.; Ashikhmin, A.; Marzetta, T.L. Inter-cell interference in noncooperative TDD large scale antenna systems. IEEE J. Sel. Areas Commun. 2013, 31, 192–201.Сюэ, К.; Ли, Б.; Цзо, К.; Янь, З.; Ян, М. Пропускная способность сотовой сети 5G с межлучевыми помехами. В материалах Международной конференции IEEE 2016 по обработке сигналов, коммуникациям и вычислениям (ICSPCC), Гонконг, Китай, 5–8 августа 2016 г.; стр. 1–5Xue, Q.; Li, B.; Zuo, X.; Yan, Z.; Yang, M. Cell capacity for 5G cellular network with inter-beam interference. In Proceedings of the 2016 IEEE International Conference on Signal Processing, Communications and Computing (ICSPCC), Hong Kong, China, 5–8 August 2016; pp. 1–5.Томас Л. Марцетта. Несогласованная сотовая связь с неограниченным количеством антенн базовых станций // IEEE Transactions on Wireless Communications, том 9, № 11, ноябрь 2010 г.Thomas L. Marzetta. Noncooperative Cellular Wireless with Unlimited Numbers of Base Station Antennas // IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 9, No. 11, November 2010.Али Э., Исмаил М., Нордин Р. и Абдула Н. Ф. (2017). Методы формирования луча для систем Massive MIMO в 5G: обзор, классификация и тенденции для будущих исследований. Границы информационных технологий и электронной инженерии.Ali, E., Ismail, M., Nordin, R., & Abdulah, N. F. (2017). Beamforming techniques for massive MIMO systems in 5G: overview, classification, and trends for future research. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering.Слюсар, В. И. Цифровое формирование луча в системах связи: будущее рождается сегодня / В. И. Слюсар // Электроника. – НТБ, 2001. – №1. – С. 6-12.Slyusar V. I., Cifrovoe formirovanie lucha v sistemakh svyazi: buduscheye rojdaetsya segodnya [Digital beamforming in communication systems: the future is born today]. Elektronika, 2001, no. 1, pp. 6-12.Кубанов В. П. Направленные свойства антенных решеток. — Самара: ПГУТИ, 2011. – 56 с.Kubanov V.P. Napravlennie svoystva antennikh reshyotok [Directional properties of antenna arrays]. Povoljskii gosudarstvennyi universitet telekommunikatsii i informatiki, Novosibirsk, 2011. 56 p.Баланис, К. А. Теория антенн: анализ и проектирование: второе издание / К. А. Баланис. – Нью-Йорк: John Willey & Sons, 1997. – 941 с.Balanis, C. A. Antenna Theory: Analysis and Design: Second Edition / C. A. Balanis. – New York: John Willey & Sons, 1997. – 941 c.Хансен, Р. С. Антенны с фазированной решеткой / Р. С. Хансен. – Нью-Йорк: John Willey & Sons, 2001. – 489 с.Hansen, R. С. Phased Array Antennas / R. С. Hansen. – New York: John Willey & Sons, 2001. – pp. 489.Гениатулин, К. А. Частотно-территориальное планирование системы подвижной спутниковой связи с зональным обслуживанием / К. А. Гениатулин, В. И. Носов // Вестник СибГУТИ: научный журнал. – Новосибирск, 2011, – № 1 (13). – С. 17-27.Geniatullin K. A. Nosov V. I. Chastotno-territorial’noe planirovanie sistemi podvijnoy sputnikovoy svyazi s zonal’nim obslujivaniem [Frequency-territorial planning of mobile satellite communication system with zonal service]. Vestnik SibGUTI, Novosibirsk, 2011, no. 1 (13), pp. 17-27.Гениатулин, К. А. Планирование систем спутниковой связи с зональным обслуживанием / К. А. Гениатулин, В. И. Носов // Вестник СибГУТИ: научный журнал. – Новосибирск, 2009, – № 4. – С. 11-22.Geniatullin K. A. Nosov V. I. Planirovanie system sputnikovoy svyazi s zonal’nim obslujivaniem [Planning of satellite communication systems with zonal services]. Vestnik SibGUTI, Novosibirsk, 2009, no. 4, pp. 11-22.Эль-Джабу, Б. Сотовая связь с использованием воздушных платформ / Б. Эль-Джабу, Р. Стил // IEEE Transactions on Vehicular Technology. – 2001. – т. 50. – С. 686-700.El-Jabu, B. Cellular Communications Using Aerial Platforms / B. El-Jabu, R. Steele // IEEE Transactions on Vehicular Technology. – 2001. – vol. 50. – P. 686-700.64 ИЛИ 128 АНТЕНН? URL: https://ma-mimo.ellintech.se/2018/08/22/64-or-128-antennas/ (дата обращения 15.02.2024).64 OR 128 ANTENNAS? URL: https://ma-mimo.ellintech.se/2018/08/22/64-or-128-antennas/ (accessed 15.02.2024).Эриксон Дж., Карванен Дж. и Койвунен В. (2000), Адаптивная оценка максимального правдоподобия распределения источников в модели ICA, Материалы второго международного семинара по анализу независимых компонентов и слепому разделению источников (ICA 2000), 227–232.Eriksson, J., Karvanen, J. and Koivunen, V. (2000), Source distribution adaptive maximum likelihood estimation in ICA model, Proceedings of the second international workshop on independent component analysis and blind source separation (ICA 2000), 227–232.Data sheet 3GPP TS 38.214 version 16.2.0 Release 18 URL: https://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/38_series/38.214 (дата обращения 15.04.2025).Data sheet 3GPP TS 38.214 version 16.2.0 Release 18 URL: https://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/38_series/38.214 (accessed 15.04.2025).Алиев И. В., Носов В. И. Анализ проблемы развертывания при планировании покрытия сети 5G // Вестник СибГУТИ. 2024. Т. 18, № 2. С. 13–31.Aliev I. V., Nosov V. I. Analiz problemi razvyortivaniya pri planirovanii pokritiya seti 5G [Analysis of the deployment problem in planning 5G network coverage]. Vestnik SibGUTI, 2024, no. 2, pp. 13-31.Носов В.И., Красиков М.С. Исследование влияния боковых лепестков кольцевых антенных решеток на соотношение сигнал/шум в сетях подвижной спутниковой связи на основе технологии IMT-Advanced // Телекоммуникации. — 2018. — № 11, с. 23–29Nosov V. I., Krasikov M. S. Issledovanie vliyaniya bokovikh lepestkov kol’cevikh antennikh reshyotok na otnoshenie signal shum v setyakh podvijnoy sputnikovoy svyazi na osnove tehknologii IMT-Advanced [Investigation of the influence of side lobes of ring antenna arrays on signal/noise ratio in mobile satellite networks based on IMT-Advanced technology]. Telekommunications, 2018, no .11, pp. 23-29.Harry L. Van Trees Optimum Array Processing Part IV of Detection, Estimation, and Modulation Theory; John Wiley & Sons, Inc.: New York, NY, USA, 2002, p. 1470Harry L. Van Trees Optimum Array Processing Part IV of Detection, Estimation, and Modulation Theory; John Wiley & Sons, Inc.: New York, NY, USA, 2002, p. 1470T. L. Marzetta, “Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 9, no. 11, pp. 3590-3600, Nov. 2010.T. L. Marzetta, “Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 9, no. 11, pp. 3590-3600, Nov. 2010.Vieira, J., Malkowsky, S., Nieman, K., Miers, Z., Kundargi, N., Liu, L., ... & Tufvesson, F. (2014, December). A flexible 100 antenna testbed for massive MIMO. In Globecom Workshops (GC Wkshps), 2014 (pp. 287-293).Vieira, J., Malkowsky, S., Nieman, K., Miers, Z., Kundargi, N., Liu, L., ... & Tufvesson, F. (2014, December). A flexible 100 antenna testbed for massive MIMO. In Globecom Workshops (GC Wkshps), 2014 (pp. 287-293).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.