面向5G的毫米波Massive MIMO矩陣設(shè)計(jì)技術(shù)研究

王志兵 李杏清 魏海紅

（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院）

本文針對(duì)角度分辨率，功率損耗和空間使用等問(wèn)題，完成采用雙差頻信號(hào)的三維立體的毫米波Massive MIMO陣列設(shè)計(jì)，并通過(guò)編程完成實(shí)驗(yàn)仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面，該陣列設(shè)計(jì)在低系統(tǒng)成本的情況下提高了角度分辨率，減少天線在設(shè)備中所占據(jù)的空間，有效地提升系統(tǒng)整體性能，減少功率損耗。

與前幾代移動(dòng)通信技術(shù)相比，5G面臨極大挑戰(zhàn)：用戶體驗(yàn)速率擴(kuò)大10～100倍、更高的頻譜利用率、毫秒級(jí)的端到端時(shí)延、大規(guī)模連接數(shù)擴(kuò)大10～100倍。大規(guī)模天線技術(shù)（Massive MIMO）引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。相比于傳統(tǒng)的MIMO，Massive MIMO有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）極大地提升空間分辨率，在沒(méi)有基站分裂的條件下實(shí)現(xiàn)深度挖掘空間資源。（2）極大地減少干擾，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠高速傳輸。（3）在不同的維度情況下該技術(shù)有利于頻譜效率的提高和能量的利用?，F(xiàn)有的5G設(shè)備其工作頻段范圍大概在幾百兆赫茲到幾個(gè)G赫茲，這樣有利于提高通信的各項(xiàng)性能，但是，這個(gè)范圍的微波頻段非常緊俏，幾乎被分配完了，想要在這個(gè)頻道范圍內(nèi)提升系統(tǒng)的容量或者是提高頻譜利用率幾乎是不可能的，所以研究人員有了其它想法，能不能拓展出新的頻段，實(shí)驗(yàn)表明，3G赫茲以上的毫米波頻段因具有豐富的頻譜資源而被視為潛在的可開(kāi)發(fā)利用波段。然而，單純的毫米波頻段系統(tǒng)自身帶有路徑損耗大的特點(diǎn)，不適合遠(yuǎn)距離傳輸。將毫米波技術(shù)同Massive MIMO技術(shù)結(jié)合，Massive MIMO技術(shù)可以彌補(bǔ)毫米波技術(shù)缺陷，毫米波技術(shù)因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)短而更適合大規(guī)模天線陣列的部署，這使得毫米波Massive MIMO技術(shù)具有較低復(fù)雜度和較好性能的優(yōu)點(diǎn)而成為研究5G技術(shù)的熱點(diǎn)之一。

1 多用戶混合波速賦形技術(shù)預(yù)編碼算法設(shè)計(jì)

多用戶系統(tǒng)由于不同用戶所在的地理位置不同，不同系統(tǒng)難于協(xié)調(diào)工作，為了提高工作效率，我們?cè)诓捎靡韵路椒▉?lái)處理，不同系統(tǒng)使用獨(dú)立的接收器來(lái)接受信號(hào)，這個(gè)時(shí)候，為了提升每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)速率，為了盡可能的消除多用戶間的干擾，基站需要對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼處理。

通常，基站是通過(guò)信道狀態(tài)信息對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼處理，當(dāng)用戶終端配置多根天線時(shí)，多用戶系統(tǒng)性能可以得到顯著的提升，既可以有效消除用戶間的干擾，提升系統(tǒng)容量，還可以降低成本，使用簡(jiǎn)單的，低功耗的接收機(jī)，具體表現(xiàn)為誤比特率的改善和數(shù)據(jù)速率的提升。因此，本課題在單用戶混合波束賦形技術(shù)研究的前提下，繼續(xù)開(kāi)展多用戶波束賦形技術(shù)的研究，多用戶混合波束賦形技術(shù)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 多用戶波束賦形技術(shù)系統(tǒng)框圖

多用戶混合波束賦形技術(shù)預(yù)編碼分為對(duì)單載波預(yù)編碼和對(duì)多載波預(yù)編碼兩種情況，對(duì)于單載波多用戶系統(tǒng)，由于全局最優(yōu)解不容易求出，所以，我們采用劃分優(yōu)化的方法，先處理模擬局部?jī)?yōu)化解，再處理數(shù)字局部?jī)?yōu)化解，其中，模擬部分求出其等效信道增益的局部最優(yōu)解，數(shù)字部分先消除各用戶之間的干擾，然后求出其對(duì)應(yīng)的局部最優(yōu)解，最后，把模擬部分的局部最優(yōu)解和數(shù)字部分的局部最優(yōu)解合在一起，得出全局最優(yōu)解。

對(duì)于多載波多用戶，由于各種條件的限制，以前的學(xué)者大多采用其中一種反饋信息來(lái)作為對(duì)應(yīng)的調(diào)制，但是，這樣很難估算出準(zhǔn)確的信道矩陣，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們研究了毫米波無(wú)線通信系統(tǒng)中的信號(hào)與干擾問(wèn)題，也就是對(duì)應(yīng)的噪聲比。為了得到更高的信噪比，我們對(duì)傳統(tǒng)的優(yōu)化編碼算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出一種基于遺傳算法的分級(jí)權(quán)重算法，從而避免了模擬、數(shù)字預(yù)編碼矩陣之間權(quán)重不統(tǒng)一，需要反復(fù)的迭代求解的問(wèn)題，在改進(jìn)的算法中，首先基于遺傳算法得到模擬預(yù)編碼和數(shù)字預(yù)編碼的次優(yōu)解，之后通過(guò)分級(jí)權(quán)重得到模擬預(yù)編碼和數(shù)字預(yù)編碼的最優(yōu)解。

2 毫米波Massive MIMO陣列設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)毫米波Massive MIMO陣列，實(shí)現(xiàn)高增益、大帶寬、波瓣寬度、波束掃描等方面的指標(biāo)，其中，射頻指標(biāo)滿足3GPP指標(biāo)要求，系統(tǒng)有效帶寬不小于400 M。

本文在設(shè)計(jì)大規(guī)模天線陣列的時(shí)候，采用調(diào)頻模式，先獲得發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的差頻信號(hào)，然后對(duì)大規(guī)模天線陣列的差頻信號(hào)進(jìn)行變換處理，確定其二維角度的虛擬陣列，通過(guò)虛擬陣列求得其相對(duì)應(yīng)的角度，速度和距離等值，這樣不僅可以提高角度分辨率，還可以降低系統(tǒng)成本，假設(shè)天線陣列中發(fā)射天線和接收天線相距λ /2，而接受天線之間相距λ，其中，λ為波長(zhǎng)，這樣一來(lái)，發(fā)射天線位于天線陣列的兩段，而接受天線相互正交，Massive MIMO天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 二維Massive MIMO陣列

但是一個(gè)差頻信號(hào)角度分辨率不夠，得到的距離太單一；同時(shí)，考慮到毫米波段的波長(zhǎng)較短，本身體積就比傳統(tǒng)的MIMO陣列得以進(jìn)一步縮小，所以為了在5G通信中得到更高的增益、更高的帶寬和更高的分辨率，本課題設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的毫米波Massive MIMO陣列，該改進(jìn)的天線陣列相比上述傳統(tǒng)的二維天線陣列，有三個(gè)主要區(qū)別，第一是采用了雙差頻信號(hào)，進(jìn)一步提高了天線矩陣的分辨率和速度；第二是陣列設(shè)計(jì)不再是二維正交維度，而是采用了三維正交維度，接收陣列位于三個(gè)正交維度，發(fā)射天線分布在三維空間，大大提升了天線的布置數(shù)目，在相同視頻資源內(nèi)服務(wù)更多用戶，可以有效地提升系統(tǒng)整體性能，減少功率損耗；第三，為了進(jìn)一步減少天線在設(shè)備中所占據(jù)的空間，設(shè)定該天線陣列的接收天線和接收天線相距λ，發(fā)射天線和接收天線相距λ /4，這樣，不僅可以盡量縮減天線體積，又可以保證天線的方向性能滿足需求。改進(jìn)的毫米波Massive MIMO天線陣列如圖3所示。

圖3 改進(jìn)的毫米波Massive MIMO陣列

結(jié)束語(yǔ)：混合波束賦形技術(shù)要求，天線陣列中的每根天線都只連接一根鏈路。使用混合波束賦形技術(shù)的系統(tǒng)，基站的預(yù)編碼處理先進(jìn)行模擬預(yù)編碼，然后進(jìn)行數(shù)字預(yù)編碼，分別使用了模擬基帶模塊和數(shù)字基帶模塊，兩者的結(jié)合不再使用加法器，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的成本，提高了利用率。本文采用雙差頻信號(hào)的三維立體的毫米波Massive MIMO陣列設(shè)計(jì)方案，研究在低系統(tǒng)成本的情況下提高角度分辨率，減少天線在設(shè)備中所占據(jù)的空間，有效地提升系統(tǒng)整體性能，減少功率損耗。