基于容量相關(guān)字典的5G毫米波大規(guī)模天線單元選擇算法

王 琦 趙雄文 張 蕊 李 樹 王蒙軍 孫韶輝

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基于容量相關(guān)字典的5G毫米波大規(guī)模天線單元選擇算法

王 琦①趙雄文*①②③張 蕊②李 樹①王蒙軍③孫韶輝③

①(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 北京 102206)②(中國電波傳播研究所電波環(huán)境特性與模化技術(shù)國家重點實驗室 青島 266107)③(電信科學(xué)技術(shù)研究院無線移動通信國家重點實驗室 北京 100191)

針對傳統(tǒng)天線選擇算法在大規(guī)模天線陣列應(yīng)用中的局限性，該文在多用戶場景下提出一種基于容量相關(guān)字典的5G毫米波大規(guī)模天線隨機選擇算法。該算法通過特定環(huán)境中不同位置處的多用戶與基站的交互，快速提取大規(guī)模天線單元間容量的強弱相關(guān)特性，并建立相關(guān)字典；在天線選擇時，先搜索最優(yōu)信道容量單元連接射頻鏈路，再隨機選擇相關(guān)字典中與最優(yōu)單元容量相關(guān)大的天線單元接入其余射頻鏈路。該方法大大降低了傳統(tǒng)天線選擇算法應(yīng)用的復(fù)雜度，只與環(huán)境有關(guān)且較為穩(wěn)定，當(dāng)新用戶加入時也無需重新建立相關(guān)字典。該方法通過損失一部分性能來換取較低的復(fù)雜度，適用于天線單元多的大規(guī)模天線陣列。此外，該文在室內(nèi)開放式辦公室開展了26 GHz視距和非視距下的大規(guī)模天線信道測試，分析了不同場景下的天線陣列行間單元間的容量相關(guān)性，并對該算法的系統(tǒng)信道容量性能進行了實驗驗證。

大規(guī)模天線系統(tǒng)；相關(guān)字典；隨機選擇；毫米波

1 引言

大規(guī)模天線是第五代(5G)無線通信系統(tǒng)中非常重要的傳輸技術(shù)。通過使用多個天線單元，實現(xiàn)分集復(fù)用，同時同頻的為多用戶服務(wù)。與傳統(tǒng)多輸入多輸出(MIMO)天線相比，大規(guī)模天線陣列的單元個數(shù)將增加數(shù)十倍以上[1]。在大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中，數(shù)百個天線服務(wù)用戶終端，理論以及測量結(jié)果都表明大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)能夠有效地提高頻譜效率，同時降低輻射功率[2,3]。

信道測量是無線信道特性研究與建模的必要條件，目前已有的大規(guī)模天線信道測試集中在6 GHz以下，研究多用戶系統(tǒng)信道相關(guān)性及預(yù)編碼性能問題。文獻[4]通過在2.6 GHz開展的室外虛擬ULA(均勻線性陣列)和UCA(均勻圓柱型陣列)的大規(guī)模天線信道測試，研究了用戶間的空間相關(guān)性及隔離度。文獻[5]在2.6 GHz研究了大規(guī)模多用戶MIMO信道統(tǒng)計參數(shù)在線性天線不同位置處的變化情況。文獻[6]在街區(qū)進行了大規(guī)模天線信道測試，采用圓柱型天線及面板天線，頻點在2.6 GHz，帶寬為50 MHz。對迫零編碼以及最小均方根誤差編碼等幾種線性預(yù)編碼方式的性能進行比較，并且發(fā)現(xiàn)基站天線個數(shù)的增加可降低用戶間的相關(guān)性，增加發(fā)射端的天線數(shù)能夠使多用戶的信道更趨向于正交。當(dāng)天線數(shù)超過一定數(shù)量后，信道特性趨于穩(wěn)定，更多地依賴于傳播環(huán)境和用戶位置。文獻[7]是貝爾實驗室進行的旋轉(zhuǎn)虛擬大規(guī)模陣列信道測試，測試地點選擇在德國斯圖加特阿爾卡特-朗訊的校園，載頻為2.6 GHz, 帶寬20 MHz。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管獨立同分布的信道與實測信道間有顯著的差異，但大規(guī)模天線陣列的理論增益在實際中是可以實現(xiàn)的。此外，研究還發(fā)現(xiàn)不同的鏈路間存在相關(guān)性，是由于經(jīng)過了共同的散射環(huán)境。為了研究公共散射體對雙鏈路信道的影響，Aalto大學(xué)在5.3 GHz進行了雙鏈路大規(guī)模天線信道測試[8]，發(fā)現(xiàn)在非視距場景中，公共簇的比例較低，集中在0~20%之間。在視距場景中，公共簇的比例高于50%，在部分測試點中，甚至達到100%。文獻[9]在4.45 GHz開展了大規(guī)模天線信道測試，場景選在北京交通大學(xué)的體育館內(nèi)，利用實測數(shù)據(jù)對頻率相關(guān)性進行了研究，結(jié)果表明大規(guī)模天線陣列并不滿足廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射的信道特性。以上信道測試都集中在6 GHz以下頻段進行。在更高頻段中，文獻[10,11]在13-17 GHz開展了虛擬大規(guī)模天線信道測量，文獻[10]主要對信道參數(shù)進行了研究，包括信道增益，萊斯因子，均方根角度及時延擴展等。文獻[11]利用高分辨率SAGE算法對傳播信道中的第1跳簇和最后一跳簇進行了分析。在5 G毫米波頻段目前還沒有大規(guī)模陣列信道(天線單元大于100)測試和研究結(jié)果。本文在中國和歐洲5 G毫米波熱點頻段26 GHz，開展了開放辦公室場景下虛擬大規(guī)模陣列信道測試工作，主要目的是研究如何進行大規(guī)模天線單元的選擇以簡化毫米波頻段的大規(guī)模天線系統(tǒng)的射頻鏈路復(fù)雜度。從傳統(tǒng)多天線擴展到大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)技術(shù)，天線單元的大幅度增加需要更多的射頻鏈路，射頻鏈路的數(shù)目直接影響硬件復(fù)雜度。在理論上，基站處的每個天線單元都需要連接射頻鏈路，射頻鏈路包含放大器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及混合器等，通過并發(fā)并收真正實現(xiàn)多天線技術(shù)。然而射頻鏈路價位昂貴，能耗較大，通常，射頻鏈路消耗的功率將占總發(fā)送功率的50%~80%[12]。大規(guī)模陣列天線單元間的相關(guān)性會導(dǎo)致每個單元對系統(tǒng)貢獻減小，在實際應(yīng)用中，并不是每個天線單元都會匹配射頻鏈路，一種可行的方法是通過天線開關(guān)將天線單元分時接入射頻鏈路，如天線單元個數(shù)在128以上的大規(guī)模天線系統(tǒng)，射頻鏈路可配置8~32個[13]。由于每個天線單元對系統(tǒng)整體性能的貢獻不同[4]，因此，射頻鏈路采用何種方式接入天線單元使大規(guī)模天線陣列的性能和能耗達到一個平衡，將是一個非常重要的研究課題。

文章主要分為4個部分，第2節(jié)重點介紹基于容量相關(guān)字典的隨機天線單元選擇算法以及相關(guān)字典的構(gòu)造過程；第3節(jié)描述實驗的驗證與分析，著重分析天線陣列的相關(guān)特性以及算法性能；第4節(jié)總結(jié)全文。

2 基于相關(guān)字典的大規(guī)模天線陣列隨機選擇算法

圖1為大規(guī)模天線系統(tǒng)框圖，為和本文實驗系統(tǒng)一致，假設(shè)基站BS為單天線，移動端MS有個天線單元，條射頻(RF)鏈路，通過開關(guān)部分從個單元中選擇個單元與射頻鏈路合并。天線選擇算法決定開關(guān)部分如何匹配。

圖1 大規(guī)模天線系統(tǒng)框圖

基于最大信道容量，最大信噪比或接收功率，以及基于范數(shù)的天線選擇算法的本質(zhì)上都是尋找連接最優(yōu)信道的天線單元，算法的復(fù)雜度都類似。在傳統(tǒng)多天線系統(tǒng)中，天線單元通常通過一個開關(guān)分時接入射頻鏈路，在大規(guī)模天線系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)性能，也可以通過多個開關(guān)時分接入射頻鏈路。

圖2 基于相關(guān)字典的隨機天線選擇算法在大規(guī)模天線側(cè)的流程圖

相關(guān)字典的構(gòu)造如下：

大規(guī)模天線多用戶系統(tǒng)不同天線單元間存在容量相關(guān)性，這種相關(guān)性取決于基站和移動臺所處的環(huán)境，對于確定環(huán)境下的多用戶，我們可根據(jù)信道矩陣建立反應(yīng)單元間容量相關(guān)性的列表，將其稱之為相關(guān)字典，且每種環(huán)境對應(yīng)一本相關(guān)字典。相關(guān)字典反映了天線單元間在特定環(huán)境下的信道容量的相關(guān)性的統(tǒng)計特性。信道容量計算公式為

矩陣為初始化階段在環(huán)境均勻采樣個位置個天線單元的信道容量。

3 實驗與驗證

3.1 實驗設(shè)計

測試系統(tǒng)采用時域信道探測儀，發(fā)端包含全向天線，銣鐘，任意波發(fā)生器，信號源，上變頻器，以及30 dB增益的功率放大器等。收端包含虛擬天線陣列，低噪聲功率放大器，下變頻器及數(shù)據(jù)采集卡等。表1列出了系統(tǒng)的詳細參數(shù)。

3.2 結(jié)果分析

在大規(guī)模天線系統(tǒng)中，信道容量隨著天線單元個數(shù)的增加而增大，曲線呈現(xiàn)凸函數(shù)特性。我們在視距和非視距場景下，研究了132個天線單元中，能夠達到信道容量80%的天線單元個數(shù)以及最大接收信噪比隨著距離的變化情況，如圖5(a)和圖5(b)所示。最大接收信噪比為

圖3 實驗場景圖

圖4 測試系統(tǒng)

如圖5(a)所示的視距情況，當(dāng)收發(fā)端距離較小時，采用30個以內(nèi)的天線單元就可以達到整體容量的80%。隨著收發(fā)距離的增大，達到80%性能的天線單元個數(shù)整體呈現(xiàn)上升趨勢，而最大接收信噪比呈現(xiàn)整體下降趨勢，并與前者呈反比例關(guān)系，達到80%信道容量的天線單元數(shù)與最大接收信噪比的相關(guān)系數(shù)為-0.80。當(dāng)收發(fā)距離較遠時，最大接收信噪比整體減小，這時天線陣列中需要更多的天線才能達到較好性能。由于視距非視距兩種場景采用同一套系統(tǒng)，非視距中墻壁的遮擋使得所測距離小于視距如圖5(b)所示。與視距情況不同，非視距情況時，達到80%信道容量的天線個數(shù)及最大接收信噪比隨著收發(fā)距離的增大而增多或減少的趨勢并不是很明顯，而達到80%信道容量的天線個數(shù)與最大接收信噪比呈現(xiàn)明顯反比關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.92。

為了研究陣列天線不同單元的性能差異，圖6(a)和圖6(b)分別給出了視距，非視距兩種情況下，在L1位置處的每個天線單元的信道容量。從兩個圖中可以發(fā)現(xiàn)同一場景下天線陣列中不同天線單元的貢獻差距較大，最小信道容量與最大信道容量相差6 bit/(s?Hz)左右。相比于視距情況，非視距相鄰天線單元的信道容量變化更為平緩。由此可以看出，當(dāng)射頻鏈路的數(shù)量有限且遠小于天線單元個數(shù)時，根據(jù)信道環(huán)境，選擇性能較好的天線單元接入鏈路對于提高大規(guī)模天線系統(tǒng)的性能非常有意義。

此外，通過觀察陣列的3行天線單元，發(fā)現(xiàn)無論視距與非視距，3行的變化趨勢呈現(xiàn)一致性，說明天線陣列的3行間信道容量存在一定的相關(guān)性。3行天線單元間的信道容量相關(guān)性隨著距離的變化如圖7所示。可以看出，非視距的行間天線單元容量相關(guān)性比視距時波動更為明顯，且非視距場景3行天線單元間的平均相關(guān)性小于視距場景3行間的平均相關(guān)性。此外，在3行天線中，相鄰兩行間的相關(guān)性均大于第1行與第3行間的相關(guān)性，如表2所示。在視距情況下，相鄰行間的相關(guān)性基本一致，而非視距情況下，相鄰行間的相關(guān)性差別較大。

由圖7(a)和圖7(b)，我們發(fā)現(xiàn)陣列的3行天線單元間容量存在較大的相關(guān)性，而相關(guān)字典需要存儲更詳細的信息，需要提取特定場景下天線陣列中天線單元間的容量相關(guān)性。對基站采用單天線，用戶端采用大規(guī)模天線其相關(guān)字典構(gòu)成和維護步驟如下：首先，系統(tǒng)初始化時，基站在導(dǎo)頻信道中依次向所有用戶發(fā)送導(dǎo)頻信息，所有用戶的射頻鏈路采用時分的方式獲取所有天線單元接收到的信道沖激響應(yīng)并根據(jù)式(2)用戶端計算各天線單元的容量，反饋給基站后構(gòu)成矩陣，視距非視距的維數(shù)分別為：20×132和19×132. 第2步：基站通過式(4)計算信道容量相關(guān)系數(shù)矩陣。第3步，基站根據(jù)式(5)和式(6)，提取相關(guān)字典，在這里視距，非視距的相關(guān)閾值，定義為0.7，射頻鏈路定為10條。最后，基站通過廣播，將容量相關(guān)字典發(fā)送給用戶，用戶端進行維護。

圖5 達到信道容量80%的天線單元個數(shù)及最大接收信噪比隨著距離的變化曲線

圖6 L1位置處每個天線單元的信道容量

圖7 大規(guī)模天線陣列行間天線單元的容量相關(guān)性

表2視距與非視距情況下行間天線單元的容量相關(guān)性

場景第1行與第2行第2行與第3行第1行與第3行 視距0.760.760.65 非視距0.510.480.41

圖8(a)和圖8(b)分別為視距和非視距的容量相關(guān)系數(shù)矩陣。容量相關(guān)系數(shù)矩陣是對稱矩陣，在圖8(a)中，對角線上為天線單元與自身相關(guān)系數(shù)，除了對角線，還有4條相關(guān)性較大的直線與對角線平行，說明天線單元與所處同一列的天線單元間的相關(guān)性較大。此外，有的天線單元與周圍單元的容量相關(guān)性較大，因此在圖8(a)中會有較大的淺色方塊出現(xiàn)在5條平行線上。還有部分天線單元的容量相關(guān)性單元比較分散，在圖上沒有出現(xiàn)聚集現(xiàn)象。當(dāng)大相關(guān)性單元聚集時，說明在當(dāng)下環(huán)境中這部分天線單元除視距外會接收到經(jīng)過同一個散射簇的信號，簇較大且集中。當(dāng)大相關(guān)性單元分散時，說明這部分相關(guān)單元除視距外，在環(huán)境中會接收到不同簇的散射信號，簇普遍較小。在非視距場景中，除了對角線，只有兩條與對角線平行的直線，且線條不完整。說明在非視距中，同一列中處于中間位置的天線單元與上下兩個單元有一定的容量相關(guān)性，而處于上方和下方的兩個單元間的相關(guān)性較小，與圖7分析結(jié)果一致。此外，不同于視距場景，非視距中沒有較大的淺色方塊，容量相關(guān)性大的天線單元都是小范圍出現(xiàn)，且不止出現(xiàn)在平行線上，說明非視距中，散射貢獻主要來自不同的小的散射體簇。

圖8 大規(guī)模天線單元間容量相關(guān)矩陣

圖9和圖10研究了3種天線組合模式對不同區(qū)域用戶的系統(tǒng)性能影響，以及3種組合模式在不同射頻鏈路個數(shù)下對系統(tǒng)的性能影響，圖9中射頻鏈路個數(shù)為10。

圖9(a)為視距情況下，用戶處于不同區(qū)域時，3種天線選擇算法對系統(tǒng)性能的影響。當(dāng)發(fā)端固定時，不同區(qū)域的用戶轉(zhuǎn)化為不同的收發(fā)端距離，可以看出，當(dāng)收發(fā)距離逐漸增大時，3種天線選擇算法下，用戶的信道容量整體呈現(xiàn)下降趨勢，基于相關(guān)字典的隨機選擇算法的性能介于其他兩種算法之間。圖9(b)為非視距情況下，3種天線選擇算法對于不同區(qū)域用戶的信道容量的影響。隨著收發(fā)距離的增加，相比于視距，非視距的信道容量沒有呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，這是受到散射體分布的影響，部分用戶雖然離發(fā)射端較遠，但可視散射體較多，利于信號的傳輸，信噪比較大，從而使得信道容量較大。

為了研究3種不同天線選擇算法在不同的射頻鏈路個數(shù)下對系統(tǒng)容量大小的影響，分別選取視距和非視距的1位置測量數(shù)據(jù)進行研究對比，如圖10(a)和圖10(b)所示。可以看出，在視距和非視距的情況下，無論使用何種天線選擇算法，信道容量都是隨著射頻鏈路的個數(shù)逐漸增大，并緩慢達到平穩(wěn)。3種天線選擇算法中，最優(yōu)信道容量選擇算法的性能最優(yōu)，基于相關(guān)字典的隨機選擇算法介于其他兩種算法之間。

本文所提出的算法通過損失一部分容量性能來換取較低的復(fù)雜度，適用于天線數(shù)目較多的大規(guī)模天線陣列。在實際應(yīng)用中，也存在一定的挑戰(zhàn)，主要的難點在于如何降低天線開關(guān)的硬件成本，如何控制天線開關(guān)在不同天線單元間的接入，以及如何快速建立相關(guān)字典。在算法測試階段，相比隨機天線選擇算法的容量提升率作為該技術(shù)的主要測試指標(biāo)來衡量算法的有效性，有一定的魯棒性。

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)天線選擇算法在大規(guī)模天線陣列應(yīng)用中的局限性，本文提出一種基于容量相關(guān)字典的毫米波頻段大規(guī)模天線隨機選擇算法。該算法通過特定環(huán)境中不同位置處的多用戶與基站的交互，快速提取大規(guī)模天線單元間容量的強弱關(guān)聯(lián)特性，并建立相關(guān)字典；在天線選擇時，先搜索最優(yōu)信道容量單元連接射頻鏈路，再隨機選擇相關(guān)字典中與最優(yōu)單元容量相關(guān)大的天線單元連接其余射頻鏈路，此種方法大大降低了傳統(tǒng)天線算法應(yīng)用的復(fù)雜度，只與環(huán)境有關(guān)且較為穩(wěn)定，當(dāng)新用戶加入時也無需重新建立相關(guān)字典。本文通過在26 GHz室內(nèi)開放式辦公室進行的大規(guī)模天線陣列視距非視距實驗對算法進行了驗證，并對天線陣列行間容量相關(guān)性，單元間相關(guān)性進行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，非視距場景天線陣列3行間的平均容量相關(guān)性小于視距場景3行間的平均相關(guān)性。視距場景下，3行中相鄰行間的相關(guān)性基本一致，而非視距場景下，3行中相鄰行間的相關(guān)性不同。此外，在視距中，存在容量相關(guān)性大的天線單元集中聚集的現(xiàn)象，而非視距中，相關(guān)性大的天線單元都較為分散。最后對3種天線組合模型在不同區(qū)域用戶以及不同射頻鏈路個數(shù)情況下的性能進行了分析對比，發(fā)現(xiàn)復(fù)雜度較低的基于相關(guān)字典的隨機選擇算法性能介于隨機選擇和最優(yōu)信道容量選擇算法之間，且信道容量都是隨著射頻鏈路的個數(shù)的增加而逐漸增大，并緩慢達到平穩(wěn)。

圖9 用戶在不同區(qū)域時，3種天線選擇算法對系統(tǒng)信道容量的影響

圖10 3種天線選擇算法在不同的射頻鏈路個數(shù)下對系統(tǒng)信道容量的影響

表3算法復(fù)雜度比較

最大容量選擇算法 基于相關(guān)字典的容量選擇算法

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[20] 李潔. 基于天線選擇技術(shù)的Massive MIMO系統(tǒng)能效優(yōu)化問題研究[D]. [碩士論文], 鄭州大學(xué), 2015: 13-49.

Li Jie. Research on efficiency optimization of massive MIMO systems with antenna selection technology[D]. [Master dissertation], Zhengzhou University, 2015: 13-49.

王 琦： 女，1990年生，博士生，研究方向為毫米波無線通信、大規(guī)模MIMO信道建模、毫米波人體阻擋模型等.

趙雄文： 男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為MIMO無線信道建模和實驗、無線通信系統(tǒng)、電磁場理論及其應(yīng)用、頻譜管理和干擾協(xié)調(diào)技術(shù)等.

張 蕊： 女，1979年生，女，高級工程師，主要研究方向為對流層電波傳播特性、包括波導(dǎo)傳播、對流層散射傳播、移動信道傳播特性等.

李 樹： 男，1991年生，博士生，研究方向為MIMO信道建模、毫米波通信、高分辨率算法等.

王蒙軍： 男，1973年生，高級工程師，主要研究方向為移動通信、高頻段通信、MIMO傳輸技術(shù)等.

孫韶輝： 男，1972年生，高級工程師，主要研究方向為LTE和第5代移動通信關(guān)鍵技術(shù)等.

Antenna Selection Algorithm Using Capacity Correlation Dictionaryfor 5G Millimeter Wave Massive Antenna Systems

WANG Qi①ZHAO Xiongwen①②③ZHANG Rui②LI Shu①WANG Mengjun③SUN Shaohui③

①(,,102206,)②(,,266107,)③(,, 100191,)

In order to solve the limitation to use the traditional antenna selection algorithm in a massive antenna for fifth Generation (5G) system, a random antenna selection algorithm based on the dictionary of capacity correlation in multi-users scenario is proposed. Before the dictionary is built, the correlation characteristics among antenna units are abstracted by the interactions between the base station and users at different locations. It needs to search the antenna unit with optimal capacity to connect one Radio Frequency (RF) link, and the reminder RF links can select the antennas randomly which have the large correlation with the optimal one in the dictionary. The method is applicable to massive antennas system because of its low complexity and stability. Moreover, there is no need to renew the dictionary for coming new users. In addition, the massive antenna channel measurements in an open office including line-of-sight and none-line-of-sight at 26 GHz are carried out to analyze the capacity correlations among the antenna units located in different rows as well as to verify the system capacity performance with the random antenna selection algorithm proposed in this work.

Massive antenna system; Dictionary of capacity correlation; Random selection; Millimeter wave

TN820

A

1009-5896(2017)12-2990-09

10.11999/JEIT170228

2017-03-20；

2017-06-28；

2017-08-28

通信作者：趙雄文 zhaoxw@ncepu.edu.cn

中國電波傳播研究所電波環(huán)境特性與模化技術(shù)國防重點實驗室基金(201600012)，電信科學(xué)技術(shù)研究院無線移動通信國家重點實驗室基金(DTimo.15.094)，中央高校基金(2015XS19)

: The National Key Laboratory of Electromagnetic Environment(201600012), China Research Institute of Radiowave Propagation, The State Key Laboratory of Wireless Mobile Communications, China Academy of Telecommunications Technology (DTimo.15.094), The Fundamental Research Funds for the Central Universities (2015XS19)