大規模MIMO系統中混合波束賦形技術研究

伍爽

摘要：混合波束賦形技術作為5G中解決大規模天線應用的關鍵技術之一受到學者和工業界的普遍青睞。因此，本文主要對大規模MIMO系統下混合波束賦形技術的產生背景，主要的系統架構，工作原理進行介紹，并給出大規模天線系統下進行混合波束賦形需要解決的主要問題。

1.混合波束賦形技術產生背景

Massive MIMO作為5G的候選技術方案之一，通過增加收發機天線數目可以有效的提高通信系統的性能，以及抑制小尺度衰落對系統性能的影響，同時有利于克服用戶間、小區間干擾的影響。但是，Massive MIMO采用與天線數量相同的收發器是不現實的，能量效率較低、實現成本較大、復雜性高。目前來說減少收發器數目的方式主要包括模擬BF和數字BF，模擬BF主要形式是一個收發器同時連接多個有源天線，通過調節天線陣列的相位來實現BF，但這種方案存在的一個缺陷就是波束太寬，不能很好的對抗用戶之間的干擾。而全數字的BF需要與天線數量相同的鏈路數，成本大，復雜度高。因此，目前主要的研究方向是模擬和數字結合的混合波束賦形技術，HBF通過設計兩個獨立的波束賦形矩陣，即模擬波束成形矩陣和數字波束成形矩陣，來實現更窄的波束，混合波束賦形一方面有助于提高天線的增益和系統容量，另一方面有助于降低干擾。混合波束賦形（HBF）作為一種新技術，通過在基帶端和射頻端同時進行編碼，有效的降低了RF鏈路的數量，在保證系統頻譜效率的同時，在很大程度上降低了系統的硬件和能量消耗。

2.混合波束賦形主要的系統架構

根據每個射頻鏈路與天線陣元之間的映射關系，可以把混合波束賦形分為兩種架構：全連接架構；部分連接架構。所謂全連接架構是指經過每個射頻鏈路的信號映射到所有天線陣元。部分連接架構是指通過射頻鏈路的信號只映射到部分天線陣元上。

如圖（1）所示是全鏈接架構的兩種形式，圖1.（a）中射頻鏈路和天線陣元之間通過模擬移向器連接；圖1.（b）中射頻鏈路和天線陣元之間通過開關進行連接。

對于圖（1a）的架構來說，由于模擬移向器具有一定的分辨率，通常來說移向器的分辨率越高，系統能夠達到的性能越好；而對于圖（1b）所示的架構，由于開關只具有兩個狀態0和1，只能夠控制信號的通斷，因此，相對于圖（1a）所示的架構來說，圖（1b）架構所能達到的性能相對來說要差一些。但是開關相對于移向器來說需要的成本較低，再者就是在系統工作的過程中需要消耗的能量較小，因此在實際的應用過程中應綜合考慮上述多個因素，從而選擇最優的實施方案。

如圖（2）所示是全鏈接架構的兩種形式，圖（2a）中射頻鏈路和天線陣元之間通過模擬移向器連接；圖（2b）中射頻鏈路和天線陣元之間通過開關進行連接。通過上述分析我們知道采用圖（2a）架構的系統的性能要優于采用圖（2b）架構的系統。但是圖（2b）中的開關相對于圖（2a）來說成本較低，功耗較小，因此仍需要根據具體的狀況來決定采用哪種架構。

同時，對于全連接和部分連接的混合波束賦形架構來說，全連接架構由于每個射頻鏈路通過開關或移向器連接到所有天線陣元，而部分連接架構每個射頻鏈路只連接到部分天線陣元。因此從模擬端來看全連接架構相對于部分連接架構來說具有更大的自由度，這也就意味著全連接架構相對于部分連接架構來說可以實現更高的頻譜效率。但是值得我們注意的是對于含有相同天線陣元的天線陣列來說，全連接架構需要的移相器或開關的數目遠遠大于部分連接架構，這也就意味著全連接架構需要消耗更多的器件，需要花費更多的成本，需要消耗更多的能量。因此，在實際的應用過程中我們應該綜合考慮上述各方面的因素，選擇一個合理的系統架構。

3.混合波束賦形的工作原理和需要解決的主要問題

波束賦形是一種基于天線陣列的信號預處理技術，波束賦形通過調整天線陣列中每個陣元的加權系數產生具有指向性的波束，從而能夠獲得明顯的陣列增益。因此，波束賦形技術在擴大覆蓋范圍、改善邊緣吞吐量以及干擾抑止等方面都有很大的優勢。

而混合波束賦形區別于傳統的數字和模擬波束賦形，混合波束賦形是在系統的基帶端和射頻端同時進行波束賦形，基帶端的編碼器可以同時調節信號的幅度和相位信息，射頻端的編碼器主要通過模擬移向器來實現，因此主要用于調節信號的相位信息。如下圖（3）所示是發射端的混合波束賦形系統模塊圖，該系統的發射端的信號可以表示為

其中F是滿足常數模值約束的復數向量集合，P表示系統的總功率。因此，采用混合波束賦形架構的MIMO系統需要解決的主要問題就是怎么設計滿足常數模值約束的模擬移相器和滿足功率約束和數字移相器使得系統的容量最大。

參考文獻：

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[2] A. Kaushik， J. Thompson and M. Yaghoobi， "Sparse hybrid precoding and combining in millimeter wave MIMO systems，" Radio Propagation and Technologies for 5G （2016）， Durham， 2016， pp.