面向5G的毫米波Massive MIMO上下行鏈路方案設(shè)計

王志兵 李杏清 鮑晶晶

（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東省東莞市 523808 2.廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院 廣東省東莞市 523960）

隨著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展及大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的出現(xiàn)，通信技術(shù)通過不斷地與新技術(shù)融合，從而向社會各領(lǐng)域滲透，催生了大量的新興業(yè)務(wù)，如智慧城市，自動駕駛，智慧農(nóng)業(yè)、全息視頻、浸入式游戲等。4G 技術(shù)在峰值速率、帶寬、延時等方面已無法滿足新興業(yè)務(wù)的新需求，新應(yīng)用場景等的要求。2015年，我國IMT-2020（5G）推進(jìn)組發(fā)布了5G 概念白皮書[R][1]，歸納了5G 主要 技術(shù)場景、關(guān)鍵挑戰(zhàn)和關(guān)鍵技術(shù)，形成了5G 概念。國際電信聯(lián)盟（ITU）在 2015年正式給5G 命名，依據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求和應(yīng)用場景，定義了 移動增強(qiáng)寬帶、機(jī)器類大規(guī)模通信和超可靠低時延類通信三大5G 場景[2]。2018年 6月，5G 移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的方案在美國獲得國際標(biāo)準(zhǔn)組織批準(zhǔn)并發(fā)布，標(biāo)志著5G 標(biāo)準(zhǔn)得到正式認(rèn)可[3]。5G 技術(shù)呼之欲出，它將為萬物互聯(lián)和大數(shù)據(jù)時代提供良好的通信保障[4]。

在國內(nèi)，我國高度重視5G 移動通信技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)國家《“十三五”國家信息化規(guī)劃》要求，加快推進(jìn)5G 技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化，到2020年，5G 完成技術(shù)研發(fā)測試并商用部署。5G sub-6G 低頻段即將商用，但sub-6G 可用帶寬窄，峰值速率上限不能滿足5G 時代峰值速率需求，毫米波(Millimeter Wave)的可用頻帶寬可滿足5G時代峰值速率和帶寬需求，引入毫米波通信技術(shù)成為必然[5]。在目前已提出的各中預(yù)編碼算法基礎(chǔ)上改進(jìn)得到一種適合毫米波傳輸?shù)牡蛷?fù)雜度的預(yù)編碼算法

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，建筑工程引入了新材料、新設(shè)備、新工藝和新技術(shù)，這給建筑行業(yè)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)要求，同時給建筑安全標(biāo)準(zhǔn)化管理體系也帶來了難題。建筑企業(yè)及施工管理人員不及時更新安全標(biāo)準(zhǔn)化管理，就沒有辦法適應(yīng)當(dāng)下的新變化。只有建筑安全標(biāo)準(zhǔn)化管理穩(wěn)步和建筑市場實現(xiàn)共同進(jìn)步，不斷的更新和完善新的標(biāo)準(zhǔn)要求，才能讓建筑行業(yè)的安全問題有指導(dǎo)依據(jù)。

1 單用戶混合波束賦形技術(shù)預(yù)編碼算法設(shè)計

基于部分連接系統(tǒng)的單用戶混合波束賦形技術(shù)預(yù)編碼算法，設(shè)置最大化系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)傳輸速率為目標(biāo)函數(shù)。而基于全連接結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的混合預(yù)編碼算法，既設(shè)計了模擬預(yù)編碼矩陣，又設(shè)計了數(shù)字預(yù)編碼矩陣，設(shè)置最小全局預(yù)編碼矩陣與最優(yōu)全局預(yù)編碼矩陣的歐氏距離為目標(biāo)函數(shù)，這樣就可以解決模擬預(yù)編碼存在硬件結(jié)構(gòu)約束和全局最優(yōu)解難求的問題，但是，這種算法硬件開銷大，對模擬移相器的需求大。

針對以上問題，本課題提出一種改進(jìn)的基于部分系統(tǒng)的混合波束賦形技術(shù)預(yù)編碼算法，單用戶混合波束賦形技術(shù)系統(tǒng)框圖如圖1所示，該算法采用級聯(lián)式的混合預(yù)編碼方法，只針對部分連接系統(tǒng)，既可以解決模擬預(yù)編碼存在的因硬件結(jié)構(gòu)約束難以求最優(yōu)解的問題，又可以解決全鏈接結(jié)構(gòu)硬件開銷大的問題。

波束賦形技術(shù)混合預(yù)編碼算法前面為部分連接模擬預(yù)編碼設(shè)計，后面為部分連接數(shù)字預(yù)編碼設(shè)計，該算法先進(jìn)行模擬預(yù)編碼，然后通過數(shù)字預(yù)編碼求得局部最優(yōu)解，最后針對不同信噪比場景設(shè)計出部分連接系統(tǒng)的混合預(yù)編碼算法，這樣，對于每一種信噪比，算法的優(yōu)化問題都可以比擬為單路徑最優(yōu)編碼問題，從而求得最優(yōu)解，通過仿真實驗對所提改進(jìn)算法的結(jié)果進(jìn)行分析，并對信道狀態(tài)反饋進(jìn)行了估計。

改進(jìn)的QAM 調(diào)制技術(shù)要求信道帶寬大于或者等于碼元速率，必要的情況還可以增加一部分帶寬，與QAM 調(diào)制技術(shù)相比，改進(jìn)的QAM 編碼具有能充分利用帶寬、抗噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)點。

圖1：單用戶波束賦形技術(shù)系統(tǒng)框圖

2 上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計

基站接收信號的時候，接收信號先進(jìn)行ADC 變換，然后進(jìn)行下變頻處理，通過OFDM 技術(shù)進(jìn)行解調(diào)，最后經(jīng)過信道估計，信道均衡化和噪聲消除，利用改進(jìn)的QAM 算法進(jìn)行信號解調(diào)，得到接受數(shù)據(jù)。

改進(jìn)的QAM 采用混合矢量調(diào)制，將模擬矢量和數(shù)字矢量混合在一塊，然后將最后的輸入比特映射到一個復(fù)平面上，轉(zhuǎn)換成調(diào)制信號，這樣，信號矢量分別對應(yīng)著復(fù)頻域的實部I 和虛部Q，然后采用改進(jìn)的QAM 在相互正交的載波上進(jìn)行信號調(diào)制，這樣與QAM 調(diào)制相比，其頻譜利用率得到了很大的提高。

用戶在接受信號的時候，先進(jìn)行ADC 變換，然后進(jìn)行下變頻處理，先把射頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?，然后進(jìn)行OFDM 解調(diào)，最后通過本地導(dǎo)頻信號對下行信道進(jìn)行預(yù)估計，數(shù)據(jù)均衡化，消除干擾，通過改進(jìn)的QAM 解調(diào)算法進(jìn)行信號解調(diào)，還原出基站端發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。

服裝上選用了四套具有時尚和潮流風(fēng)格的衣服，既帶有很強(qiáng)的獨特性，又可以很好地展現(xiàn)出人物的性格。發(fā)型上給模特剪了寸頭，因為寸頭在某種程度上帶有一種儀式感，可以給人一種超凡脫俗的感覺。妝容上沒有做過多的修飾，只是給模特化了一點淡妝。

在Massive MIMO 系統(tǒng)中，由于在基站引入大規(guī)模天線陣列，隨著天線數(shù)和處理數(shù)據(jù)量的急劇上升，大大增加了系統(tǒng)實現(xiàn)的硬件復(fù)雜度和計算復(fù)雜度，所以設(shè)計適合的上/下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸方案就顯得尤為重要。針對以上問題，本課題基于改進(jìn)的QAM 調(diào)制算法，設(shè)計一種上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸方案，其設(shè)計框圖如圖2所示，假設(shè)當(dāng)前發(fā)送的信號是導(dǎo)頻信號，系統(tǒng)可以通過本地導(dǎo)頻序列產(chǎn)生插入導(dǎo)頻信號，先進(jìn)行OFDM 調(diào)制處理，然后對信號進(jìn)行上變頻處理，DAC 轉(zhuǎn)換，把有用信號轉(zhuǎn)變成適合天線發(fā)射的已調(diào)信號，最后通過天線發(fā)射出去。假設(shè)當(dāng)前發(fā)送的是數(shù)據(jù)信號，那么先通過改進(jìn)的QAM 進(jìn)行信號調(diào)制，然后經(jīng)過信道均衡化，信道估計，消除干擾，最后進(jìn)行OFDM 調(diào)制、上變頻處理、DAC 變換，通過天線發(fā)射出去。

圖2：上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸方案框圖

圖3：下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸方案框圖

3 下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計

本文結(jié)合毫米波的稀疏特性，分析對比混合波束賦形技術(shù)和機(jī)會波束賦形技術(shù)，改進(jìn)了基于單用戶的波束賦形技術(shù)預(yù)編碼算法；通過改進(jìn)預(yù)編碼算法及QAM 調(diào)制/解調(diào)算法，降低系統(tǒng)實現(xiàn)的硬件復(fù)雜度和信號處理復(fù)雜度，提高頻效和功效，設(shè)計了一種可行的上/下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸方案，實驗結(jié)果表明，該方案在低系統(tǒng)成本的情況下提高了角度分辨率，有效地提升了系統(tǒng)整體性能，減少了功率損耗。

“一切自在的客體為主體所掌握都要經(jīng)過主體已有的心智結(jié)構(gòu)(包括已經(jīng)內(nèi)化了的知識、觀念及思維模式等)的篩選與轉(zhuǎn)換?！睋Q言之,個體素質(zhì)形成與發(fā)展的水平,在很大程度上就取決于個體將周圍的精神文化有選擇地逐步內(nèi)化這個過程。對所參照的人格規(guī)范及價值體系的內(nèi)化,決定著個體的理想自我的形成。教育活動中向?qū)W生所提出的外部的、客觀的知識、規(guī)范,只有通過“內(nèi)化”才能成為學(xué)習(xí)主體內(nèi)部的知識和規(guī)范?？疾炻殬I(yè)院校學(xué)生責(zé)任文化素質(zhì)形成的過程,其內(nèi)化是一個由認(rèn)知轉(zhuǎn)化、知能轉(zhuǎn)化、知行轉(zhuǎn)化相輔相成的綜合統(tǒng)一、反復(fù)交錯的動態(tài)開放系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

在上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，改進(jìn)QAM 解調(diào)算法的下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸方案，設(shè)計框圖如圖3所示，對于下行鏈路，基站把發(fā)送給多用戶的數(shù)據(jù)通過改進(jìn)的QAM 調(diào)制算法先進(jìn)行調(diào)制，然后依據(jù)上行信道和信道調(diào)制后的混合矢量進(jìn)行預(yù)編碼，最后對預(yù)編碼后的信號進(jìn)行OFDM 調(diào)制及校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后先進(jìn)行上變頻，然后進(jìn)行DAC 變換，最后通過天線發(fā)送出去。