下一代無線網(wǎng)絡物理層設計問題淺析

伍爽　韓哲鑫

摘 要 將5G架構與現(xiàn)有無線系統(tǒng)相結合需要一種新穎的方法或技術來使過程更為順利。因此，為了更好的使5G架構與現(xiàn)有無線系統(tǒng)更好的融合，我們需要對物理層技術有更好的了解，通過對物理層技術的組合與協(xié)作來降低開銷，從而獲得最優(yōu)性能。 因此對現(xiàn)有和未來可能使用的物理層技術的研究至關重要。本文主要對毫米波信道、波束賦形、大規(guī)模MIMO技術進行討論。

中圖分類號：TP393.08 文獻標識碼：A

1毫米波信道

毫米波頻段的使用給移動無線通信帶來了許多新的挑戰(zhàn)。主要體現(xiàn)在現(xiàn)有的信道模型已經(jīng)不適用于毫米波頻段了。毫米波信道區(qū)別與現(xiàn)有信道主要體現(xiàn)在一下幾個方面：

1.1路徑損耗

毫米波在自由空間傳輸?shù)穆窂綋p耗可以通過公式（1）來計算

（1）

其中R表示發(fā)送端和接收端之間的距離，f表示載波頻率。從公式（1）可以看出頻率越高，對應的路徑損耗越大。因此，相對于低頻信號來說，毫米波信道的路徑損耗更為嚴重。

1.2穿透性和LOS通信

在進行毫米波系統(tǒng)設計時，我們需要了解毫米波設備所處的傳輸環(huán)境。了解信號傳播周圍的環(huán)境、葉子、人流等特征對確定毫米波在室內(nèi)室外傳播特性來說至關重要。了解不同環(huán)境下毫米波的衍射、穿透性、散射和反射為5G網(wǎng)絡部署奠定了基礎。Rappaport和其團隊的研究表明有色玻璃、透明玻璃、混凝土墻、金屬電梯等對毫米波來說具有較高的穿透阻力。再者，在室內(nèi)環(huán)境下干燥的墻壁、白板、網(wǎng)格玻璃對毫米波來說也會帶來嚴重的多徑衰落和路徑損耗。因此，毫米波通信主要用于小小區(qū)的LOS傳輸環(huán)境下。

1.3多普勒效應

載波頻率和移動性能夠很好的表征多普勒效應。當接收到的信號具有不同的相位值對時就會形成多普勒效應。但是多普勒效應引起的時間選擇性衰落，可以通過在信道相關時間內(nèi)進行適當編碼來消除。因此多普勒效應對5G網(wǎng)絡的部署來說并不會帶來很大的挑戰(zhàn)。

2 Massive MIMO 系統(tǒng)

通過簡單的線性處理技術可以為基站提供大量的天線。圖2-1是一個大規(guī)模MIMO系統(tǒng)和波束賦形框圖，天線陣列可以為系統(tǒng)提供水平方向和垂直方向的波束。大規(guī)模天線有助于提高系統(tǒng)的能量效率和頻譜效率。在Massive MIMO系統(tǒng)中每個天線都可以實現(xiàn)一定程度的方向性傳輸。相干波的疊加是Massive MIMO技術的基本原理，通過調(diào)節(jié)天線陣列的相位使陣列形成特定方向上的波束。因此，對Massive MIMO系統(tǒng)來說空間復用技術可以有效的提高系統(tǒng)的容量。

在Massive MIMO系統(tǒng)中采用適當?shù)挠脩粽{(diào)度算法對系統(tǒng)來說非常重要。再者對于Massive MIMO系統(tǒng)來說TDD可能是更好的選擇，因為它避免了在FDD系統(tǒng)下的信道估計和信道共享等較為復雜的問題。目前關于Massive MIMO系統(tǒng)陣列的分布問題主要傾向于2D平面陣列，但是3D立體陣列以及分布式陣列架構也有待于進一步研究。毫米波的波長較短，可以有效的降低天線陣列的尺寸，而大規(guī)模天線陣列能夠提供更強的天線增益，正好彌補了毫米波的路徑損耗，因此，通過兩者的結合可以達到更好的效果。目前，毫米波同Massive MIMO技術的結合是無線網(wǎng)絡物理層設計的研究熱點。

3波束賦形

智能天線對毫米波通信來說至關重要，同樣方向性波束對5G網(wǎng)絡來說也非常重要，下面我們主要討論方向性波束的控制與形成。

對毫米波來算波束賦形算法非常重要，我們可以根據(jù)不同的陣列來設計相應的波束賦形權重因子，從而來控制波束的形成和旋轉。波束賦形權重因子的調(diào)節(jié)可以在數(shù)字域或模擬域完成，或者在數(shù)字域和模擬域同時進行。如圖3-1（a）、3-1（b）和3-1（c）分別對應的是模擬波束賦形、數(shù)字波束賦形和混合波束賦形的系統(tǒng)框圖。

對于數(shù)字波束賦形來說，數(shù)字波束賦形矩陣在發(fā)送端主要用于調(diào)節(jié)在進行FFT變換之前的基帶信號；而在接收端主要用于調(diào)節(jié)在進行FFT變換之后的基帶信號。而對模擬波束賦形來算，模擬波束賦形矩陣主要用于調(diào)節(jié)時間域的射頻信號。通常來說數(shù)字波束賦形相對于模擬波束賦形來說具有更好的性能，但是復雜度相對較高，而模擬波束賦形實現(xiàn)起來較為簡單，但是系統(tǒng)的性能方面相對于數(shù)字波束賦形來算會有一些損失。

而混合波束賦形通過數(shù)字域和模擬域的共同調(diào)節(jié)可以形成更細的波束，模擬域波束賦形主要通過模擬移相器來實現(xiàn)。但是對于大規(guī)模天線陣列來說，每個天線對應一個收發(fā)器在成本上是非常昂貴的，再者系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜度也較高。同時也意味著要消耗更多的功率。

再者對于毫米波系統(tǒng)來說，射頻鏈路的組件的性能較差，功率放大器只能工作在最大功率的情況下工作。因此，在射頻域陣列的控制主要是通過移相器來實現(xiàn)的，移相器的幅值通常是一個常數(shù)。這使得模擬波束賦形矩陣不是一個凸集，無法通過最優(yōu)化算法來獲得最佳的數(shù)字和模擬波束賦形矩陣。

通過上述分析可以看出，要想形成方向性的波束，波束賦形算法是至關重要的。目前對于Massive MIMO系統(tǒng)來說，主要采用的是混合波束賦形技術。因此，混合波束賦形算法是目前進行物理層設計的研究重點。

參考文獻

[1] F. W. Vook， A. Ghosh， and T. A. Thomas， “MIMO and beamforming solutions for 5G technology，” in Proc. IEEE Microw. Symp. （IMS）， 2014，pp. 1–4.

[2] W. Roh et al.， “Millimeter-wave beamforming as an enabling technology for 5G cellular communications： Theoretical feasibility and prototype results，” IEEE Commun. Mag.， vol. 52， no. 2， pp. 106–113， Feb. 2014.

[3] E. Hossain， M. Rasti， H. Tabassum， and A. Abdelnasser， “Evolution toward 5G multi-tier cellular wireless networks： An interference management perspective，” IEEE Wireless Commun.， vol. 21， no. 3， pp. 118–127， Jun. 2014.