大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)技術(shù)探析

魯照華，張曉丹，肖華華，劉 錕，胡留軍，潘長(zhǎng)勇

(1.中興通訊股份有限公司，廣東深圳518000;2.清華大學(xué)，北京100084)

1 大規(guī)模天線(xiàn)陣列

隨著智能終端的興起及無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)的豐富，無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)用戶(hù)數(shù)大幅增加，數(shù)據(jù)內(nèi)容也不再限于傳統(tǒng)的文字或者圖像，未來(lái)用戶(hù)對(duì)高清晰度視頻、手機(jī)電視等多媒體業(yè)務(wù)的需求越來(lái)越多，導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。根據(jù)市場(chǎng)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，未來(lái)10年，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將增長(zhǎng)500～1 000倍，平均每年增長(zhǎng)1.6～2倍，這對(duì)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量提出了更高的要求［1］。

提升無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)容量的方法有多種，主要包括提升頻譜效率、提高網(wǎng)絡(luò)密度、增加系統(tǒng)帶寬、智能業(yè)務(wù)分流等。近期研究中，基于大規(guī)模天線(xiàn)陣列技術(shù)提升頻譜效率的方法獲得越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。

如圖1所示，大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)的基本特征就是通過(guò)在基站側(cè)配置數(shù)量眾多的天線(xiàn)陣列(從幾十至幾千)，獲得比傳統(tǒng)天線(xiàn)陣列系統(tǒng)(天線(xiàn)陣列數(shù)不超過(guò)8個(gè))更為精確的波束控制能力，然后通過(guò)空間復(fù)用技術(shù)，在相同的時(shí)頻資源上同時(shí)服務(wù)更多用戶(hù)來(lái)提升無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的頻譜效率，從而滿(mǎn)足未來(lái)B4G/5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中海量信息的傳輸需求［1－2］。另外，大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)還可以很好地抑制無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的干擾，帶來(lái)巨大的小區(qū)內(nèi)及小區(qū)間的干擾抑制增益，使得整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍得到進(jìn)一步提高。

圖1 傳統(tǒng)天線(xiàn)陣列系統(tǒng)與大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)對(duì)比圖

大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)能夠深度利用空間無(wú)線(xiàn)資源，理論上可顯著提高系統(tǒng)的頻譜效率和功率效率，是構(gòu)建未來(lái)高能效綠色寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的重要技術(shù)［3－6］。然而，如何在現(xiàn)實(shí)約束條件下充分挖掘其潛在的巨大增益亟待深入研究，特別是信道信息獲取、天線(xiàn)陣列設(shè)計(jì)、碼本設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)的研究。

2 基本原理

對(duì)于任意兩個(gè)n維實(shí)數(shù)序列s1，s2∈Rn，其相關(guān)系數(shù)定義為

如圖2所示，在給定相關(guān)系數(shù)的情況下，當(dāng)維數(shù)n增加時(shí)，其累積分布概率值越大，當(dāng)n趨近于300時(shí)，任意兩個(gè)向量相關(guān)系數(shù)小于0.1的概率已經(jīng)達(dá)到0.9，當(dāng)n進(jìn)一步增大時(shí)，任意兩個(gè)向量相關(guān)系數(shù)幾乎以1的概率趨近于0，這說(shuō)明此時(shí)任意兩個(gè)實(shí)數(shù)向量之間幾乎正交。對(duì)于復(fù)高斯隨機(jī)向量來(lái)說(shuō)，其相關(guān)系數(shù)具有與實(shí)系數(shù)向量類(lèi)似的特征。

圖2 相關(guān)系數(shù)累積分布概率

在大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)中，假設(shè)基站側(cè)的發(fā)射天線(xiàn)數(shù)目為N(取值通常大于等于64)，終端側(cè)由于尺寸大小的限制通常只有1根接收天線(xiàn)，故可以用N維復(fù)向量H∈CN×1來(lái)描述某一終端對(duì)應(yīng)的信道系數(shù)向量。在常見(jiàn)的視距或強(qiáng)散射無(wú)線(xiàn)信道環(huán)境下，不同終端的信道系數(shù)向量之間通常服從獨(dú)立的復(fù)高斯分布，因此可認(rèn)為任意兩個(gè)終端對(duì)應(yīng)的信道以大概率趨于正交，圖3給出的基于實(shí)際信道環(huán)境的仿真結(jié)果也驗(yàn)證了上述觀(guān)點(diǎn)。

基于上述分析，假設(shè)在大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)中，基站側(cè)配置無(wú)窮根發(fā)射天線(xiàn)，終端側(cè)配置1根接收天線(xiàn)，基站側(cè)獲得完美信道信息，且基站側(cè)使用最大比發(fā)射(Maximum Ratio Transmit，MRT)預(yù)編碼策略，則目標(biāo)終端的信道增益為，干擾的影響為，這里Hi表示目標(biāo)終端信道系數(shù)向量，Ki表示干擾到目標(biāo)終端的信道系數(shù)向量，在總發(fā)射功率約束的條件下，。也就是說(shuō)，隨著發(fā)射天線(xiàn)數(shù)目的增加，目標(biāo)終端信道系數(shù)向量與干擾到目標(biāo)終端的信道系數(shù)向量之間是漸進(jìn)正交的，這一結(jié)論為大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)小區(qū)內(nèi)復(fù)用更多用戶(hù)以及小區(qū)間的干擾抑制帶來(lái)了廣闊的應(yīng)用前景。

圖3 實(shí)際信道環(huán)境下不同用戶(hù)信道相關(guān)系數(shù)累計(jì)部分概率

圖4給出了大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)(基站側(cè)配置256根發(fā)射天線(xiàn))與傳統(tǒng)天線(xiàn)陣列系統(tǒng)(基站側(cè)配置8根發(fā)射天線(xiàn))復(fù)用4個(gè)終端(配置1根接收天線(xiàn))在不同干擾源數(shù)目場(chǎng)景下的鏈路仿真結(jié)果(縱軸為誤塊率)。可以看出，相比于傳統(tǒng)天線(xiàn)陣列系統(tǒng)，大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)能很好地通過(guò)大規(guī)模天線(xiàn)帶來(lái)的空間分集增益和陣列增益提升無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的鏈路接收性能，并且具有極強(qiáng)的干擾抑制能力。

圖4 大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)的鏈路仿真結(jié)果

圖5給出了大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)(基站側(cè)配置64根或128根發(fā)射天線(xiàn))與傳統(tǒng)天線(xiàn)陣列系統(tǒng)(基站側(cè)配置8根發(fā)射天線(xiàn))在最多允許接入50個(gè)終端(配置1根接收天線(xiàn))、不考慮導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)場(chǎng)景下的系統(tǒng)仿真性能，可以看出相比于傳統(tǒng)天線(xiàn)陣列系統(tǒng)，大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)通過(guò)精細(xì)的空間波束控制在相同的時(shí)頻資源上復(fù)用更多的用戶(hù)，可以將頻譜效率提高了數(shù)十倍，展現(xiàn)出其強(qiáng)大的頻譜效率提升能力。

圖5 大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)的系統(tǒng)仿真結(jié)果

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 信道信息獲取

大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)的頻譜效率提升能力主要受制于空間無(wú)線(xiàn)信道信息獲取的準(zhǔn)確性。大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)中，由于基站側(cè)天線(xiàn)維數(shù)的大幅增加，且傳輸鏈路存在干擾，通過(guò)現(xiàn)有的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)及信道估計(jì)技術(shù)都難以獲取準(zhǔn)確的瞬時(shí)信道信息，該問(wèn)題是大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)必須解決的主要瓶頸問(wèn)題之一。因此，探尋適用于大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)及信道估計(jì)技術(shù)，對(duì)構(gòu)建實(shí)用的大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

實(shí)際系統(tǒng)中，空間無(wú)線(xiàn)信道信息的獲取來(lái)源于導(dǎo)頻信號(hào)，而導(dǎo)頻信號(hào)在時(shí)間、頻率上分布圖樣及小區(qū)間的干擾都會(huì)影響空間無(wú)線(xiàn)信道信息獲取的準(zhǔn)確性。為了提高空間無(wú)線(xiàn)信道信息獲取的準(zhǔn)確性，主要手段有:

1)主動(dòng)干擾避免

主動(dòng)干擾避免主要通過(guò)小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間導(dǎo)頻的正交化設(shè)計(jì)來(lái)主動(dòng)避免導(dǎo)頻之間的相互干擾(導(dǎo)頻污染)，接收端通過(guò)較為簡(jiǎn)單的信道估計(jì)算法即可獲取較為準(zhǔn)確的空間無(wú)線(xiàn)信道信息。但是，這種方式導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)一般比較大。以時(shí)分雙工系統(tǒng)為例，小區(qū)內(nèi)終端可以通過(guò)導(dǎo)頻的頻分復(fù)用來(lái)避免小區(qū)內(nèi)不同終端導(dǎo)頻之間的干擾，不同小區(qū)之間則通過(guò)導(dǎo)頻的時(shí)分復(fù)用來(lái)避免小區(qū)之間導(dǎo)頻信號(hào)的干擾。另外，也可以通過(guò)碼分復(fù)用與其他復(fù)用方式相結(jié)合的方式主動(dòng)對(duì)小區(qū)內(nèi)或小區(qū)間的導(dǎo)頻干擾進(jìn)行避免。

2)被動(dòng)干擾抑制

被動(dòng)干擾抑制主要指基站側(cè)通過(guò)大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)所擁有的精確空間分辨能力，接收端通過(guò)較為復(fù)雜的信道估計(jì)方法對(duì)小區(qū)內(nèi)或小區(qū)間的導(dǎo)頻干擾進(jìn)行抑制，提升空間無(wú)線(xiàn)信息獲取的準(zhǔn)確性。這種方式不要求小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間的導(dǎo)頻相互正交，因此開(kāi)銷(xiāo)相對(duì)比較小，但接收端的復(fù)雜度將會(huì)有所提高。值得考慮的信道估計(jì)方法主要有子空間投影法、多重信號(hào)分類(lèi)法和旋轉(zhuǎn)不變法等，這些方法應(yīng)用到大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)中需要解決的主要問(wèn)題是如何獲取干擾信號(hào)二階統(tǒng)計(jì)特性，如協(xié)方差矩陣等。另外，基于壓縮感知技術(shù)的變換域?yàn)V波信道估計(jì)方法在大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)中也具有較大的應(yīng)用潛力。

3.2 天線(xiàn)陣列設(shè)計(jì)

大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)中，天線(xiàn)數(shù)目的增加導(dǎo)致實(shí)際天線(xiàn)陣列面積的迅速增大，這給基站的選址及天線(xiàn)陣列的安裝帶提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。例如，基站側(cè)配置有100根天線(xiàn)，采用均勻線(xiàn)性陣列，天線(xiàn)間距為半波長(zhǎng)，在中心載頻為2.5 GHz時(shí)，線(xiàn)性陣列的長(zhǎng)度為5.94 m，這在工程上是不可接受的。解決該問(wèn)題可通過(guò)增加單位面積的天線(xiàn)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體的方法有:

1)使用更高的載頻

可以讓大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)工作在更高的載頻上，例如25 GHz，則均勻線(xiàn)性陣列的長(zhǎng)度從5.94 m減小為0.594 m，滿(mǎn)足實(shí)際工程要求。

2)改變天線(xiàn)拓?fù)?/p>

將天線(xiàn)擺放成平面陣、立方體或圓形陣列等，滿(mǎn)足工程安裝需求。例如，基站側(cè)配置有100根天線(xiàn)，天線(xiàn)間距為半波長(zhǎng)，在中心載頻為2.5 GHz時(shí)，形成10×10的正方形陣列，水平方向和垂直方向的長(zhǎng)度均為0.54 m，形成面積約為0.3 m2的平面板，從而滿(mǎn)足目前實(shí)際工程安裝要求。

需要指出，天線(xiàn)陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，會(huì)導(dǎo)致信道特征的改變，影響大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)的性能。表1給出了城市宏蜂窩信道、考慮導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)條件下不同天線(xiàn)陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)仿真結(jié)果，可以看出，在總天線(xiàn)數(shù)一定的情況下，天線(xiàn)陣列中水平方向放置的天線(xiàn)越多，大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)提升頻譜效率的能力越強(qiáng)，垂直方向放置的天線(xiàn)陣列越多，大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)提升頻譜效率的能力會(huì)降低，形成上述仿真結(jié)果的主要原因是垂直方向角度擴(kuò)展小，終端在垂直方向的角度分布范圍很小，需要更多的天線(xiàn)才能區(qū)分這些角度，使得在垂直方向放置天線(xiàn)獲得的增益不夠大。另外，在天線(xiàn)數(shù)目一定的情況下，垂直方向增加了天線(xiàn)，導(dǎo)致水平方向天線(xiàn)數(shù)目減小，使得水平方向的性能下降。

表1 不同天線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果

3)減小天線(xiàn)間距

減小天線(xiàn)間距也可以滿(mǎn)足工程安裝的需求，但是如果天線(xiàn)間距小于半波長(zhǎng)，會(huì)增加天線(xiàn)之間的相關(guān)性，從而使大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)無(wú)法形成精確的波束來(lái)區(qū)分終端，影響系統(tǒng)性能。以線(xiàn)性天線(xiàn)陣列為例，當(dāng)天線(xiàn)間距小于半波長(zhǎng)時(shí)，由于天線(xiàn)間相關(guān)性比較強(qiáng)，導(dǎo)致大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)提升頻譜效率的能力急劇下降。

隨著天線(xiàn)設(shè)計(jì)中新材料的不斷使用，在未來(lái)天線(xiàn)設(shè)計(jì)中存在減小天線(xiàn)間距而不影響天線(xiàn)相關(guān)性和耦合性的可能。

3.3 碼本設(shè)計(jì)

大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)中，需要從只關(guān)注天線(xiàn)在水平方向的波束賦形轉(zhuǎn)移到關(guān)注水平和垂直方向共同作用下的空間立體自適應(yīng)波束賦形技術(shù)。

研究表明，隨著天線(xiàn)數(shù)目的增加，在維持碼本量化精度不變的前提下，碼本數(shù)量將呈現(xiàn)出指數(shù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，這給實(shí)際系統(tǒng)中上行反饋信道的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的困難和挑戰(zhàn)，同時(shí)也影響系統(tǒng)的上行容量。因此，如何在盡可能降低上行反饋信道開(kāi)銷(xiāo)的情況下設(shè)計(jì)大維度的碼本空間，保證空間無(wú)線(xiàn)信道的量化精度，是需要仔細(xì)研究的問(wèn)題(特別是系統(tǒng)上下行信道特性不同的頻分雙工系統(tǒng))。主要解決方法有:

1)基于旋轉(zhuǎn)的碼本構(gòu)造方法

目前學(xué)術(shù)界關(guān)于Grassmannian流形壓縮的研究主要集中于低維度的情形，對(duì)于高維度的研究較少，因?yàn)樗鼘?duì)計(jì)算復(fù)雜度和性能提出了雙重要求，所以必須通過(guò)設(shè)計(jì)搜索算法的精心設(shè)計(jì)才能夠在較短時(shí)間內(nèi)獲得較為理想且上行反饋開(kāi)銷(xiāo)小的結(jié)果。值得考慮的技術(shù)有:使用搜索的方式，在對(duì)Grassmannian流形的黎曼特性進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，基于測(cè)地線(xiàn)移動(dòng)的方式快速獲得Grassmannian碼本;利用互相無(wú)偏基(Mutually Unbiased Bases，MUB)構(gòu)造碼本。

2)基于疊加的碼本構(gòu)造方法

分析大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)空間無(wú)線(xiàn)信道的特點(diǎn)，通過(guò)多級(jí)碼本的設(shè)計(jì)方式來(lái)降低系統(tǒng)的上行反饋信道開(kāi)銷(xiāo)，并保證空間無(wú)線(xiàn)信道的量化精度。例如，分別設(shè)計(jì)水平碼本集合和垂直碼本集合，在基站側(cè)通過(guò)克羅內(nèi)克積的方式形成大維度碼本。

4 小結(jié)

本文分析了大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)的基本原理，通過(guò)仿真驗(yàn)證了大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)擁有巨大的頻譜效率提升能力，能非常好地滿(mǎn)足未來(lái)用戶(hù)對(duì)高清晰度視頻等多媒體業(yè)務(wù)的廣泛需求。另外，對(duì)信道信息獲取、天線(xiàn)陣列設(shè)計(jì)、碼本設(shè)計(jì)等實(shí)用化過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究，并給出相應(yīng)的解決思路。后續(xù)研究重點(diǎn)將集中在大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)中廣播信道設(shè)計(jì)、功率分配、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、反饋設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，以及大規(guī)模天線(xiàn)陣列技術(shù)在B4G/5G標(biāo)準(zhǔn)中的推廣和應(yīng)用，滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)高清晰度視頻、手機(jī)電視等多媒體業(yè)務(wù)的需求。

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