面向5G的毫米波Massive MIMO矩陣設計技術研究

王志兵 李杏清 魏海紅

（1.東莞職業技術學院；2.廣東創新科技職業學院）

本文針對角度分辨率，功率損耗和空間使用等問題，完成采用雙差頻信號的三維立體的毫米波Massive MIMO陣列設計，并通過編程完成實驗仿真，實驗結果表面，該陣列設計在低系統成本的情況下提高了角度分辨率，減少天線在設備中所占據的空間，有效地提升系統整體性能，減少功率損耗。

與前幾代移動通信技術相比，5G面臨極大挑戰：用戶體驗速率擴大10～100倍、更高的頻譜利用率、毫秒級的端到端時延、大規模連接數擴大10～100倍。大規模天線技術（Massive MIMO）引起了學者的廣泛關注。相比于傳統的MIMO，Massive MIMO有以下優點：（1）極大地提升空間分辨率，在沒有基站分裂的條件下實現深度挖掘空間資源。（2）極大地減少干擾，實現信號的可靠高速傳輸。（3）在不同的維度情況下該技術有利于頻譜效率的提高和能量的利用。現有的5G設備其工作頻段范圍大概在幾百兆赫茲到幾個G赫茲，這樣有利于提高通信的各項性能，但是，這個范圍的微波頻段非常緊俏，幾乎被分配完了，想要在這個頻道范圍內提升系統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，實驗表明，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發利用波段。然而，單純的毫米波頻段系統自身帶有路徑損耗大的特點，不適合遠距離傳輸。將毫米波技術同Massive MIMO技術結合，Massive MIMO技術可以彌補毫米波技術缺陷，毫米波技術因為其波長短而更適合大規模天線陣列的部署，這使得毫米波Massive MIMO技術具有較低復雜度和較好性能的優點而成為研究5G技術的熱點之一。

1 多用戶混合波速賦形技術預編碼算法設計

多用戶系統由于不同用戶所在的地理位置不同，不同系統難于協調工作，為了提高工作效率，我們在采用以下方法來處理，不同系統使用獨立的接收器來接受信號，這個時候，為了提升每個用戶的數據速率，為了盡可能的消除多用戶間的干擾，基站需要對發射信號進行預編碼處理。

通常，基站是通過信道狀態信息對發送數據進行預編碼處理，當用戶終端配置多根天線時，多用戶系統性能可以得到顯著的提升，既可以有效消除用戶間的干擾，提升系統容量，還可以降低成本，使用簡單的，低功耗的接收機，具體表現為誤比特率的改善和數據速率的提升。因此，本課題在單用戶混合波束賦形技術研究的前提下，繼續開展多用戶波束賦形技術的研究，多用戶混合波束賦形技術系統框圖如圖1所示。

圖1 多用戶波束賦形技術系統框圖

多用戶混合波束賦形技術預編碼分為對單載波預編碼和對多載波預編碼兩種情況，對于單載波多用戶系統，由于全局最優解不容易求出，所以，我們采用劃分優化的方法，先處理模擬局部優化解，再處理數字局部優化解，其中，模擬部分求出其等效信道增益的局部最優解，數字部分先消除各用戶之間的干擾，然后求出其對應的局部最優解，最后，把模擬部分的局部最優解和數字部分的局部最優解合在一起，得出全局最優解。

對于多載波多用戶，由于各種條件的限制，以前的學者大多采用其中一種反饋信息來作為對應的調制，但是，這樣很難估算出準確的信道矩陣，針對這個問題，我們研究了毫米波無線通信系統中的信號與干擾問題，也就是對應的噪聲比。為了得到更高的信噪比，我們對傳統的優化編碼算法進行了改進，提出一種基于遺傳算法的分級權重算法，從而避免了模擬、數字預編碼矩陣之間權重不統一，需要反復的迭代求解的問題，在改進的算法中，首先基于遺傳算法得到模擬預編碼和數字預編碼的次優解，之后通過分級權重得到模擬預編碼和數字預編碼的最優解。

2 毫米波Massive MIMO陣列設計

設計毫米波Massive MIMO陣列，實現高增益、大帶寬、波瓣寬度、波束掃描等方面的指標，其中，射頻指標滿足3GPP指標要求，系統有效帶寬不小于400 M。

本文在設計大規模天線陣列的時候，采用調頻模式，先獲得發射信號和接收信號的差頻信號，然后對大規模天線陣列的差頻信號進行變換處理，確定其二維角度的虛擬陣列，通過虛擬陣列求得其相對應的角度，速度和距離等值，這樣不僅可以提高角度分辨率，還可以降低系統成本，假設天線陣列中發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，這樣一來，發射天線位于天線陣列的兩段，而接受天線相互正交，Massive MIMO天線結構如圖2所示。

圖2 二維Massive MIMO陣列

但是一個差頻信號角度分辨率不夠，得到的距離太單一；同時，考慮到毫米波段的波長較短，本身體積就比傳統的MIMO陣列得以進一步縮小，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，本課題設計一種改進的毫米波Massive MIMO陣列，該改進的天線陣列相比上述傳統的二維天線陣列，有三個主要區別，第一是采用了雙差頻信號，進一步提高了天線矩陣的分辨率和速度；第二是陣列設計不再是二維正交維度，而是采用了三維正交維度，接收陣列位于三個正交維度，發射天線分布在三維空間，大大提升了天線的布置數目，在相同視頻資源內服務更多用戶，可以有效地提升系統整體性能，減少功率損耗；第三，為了進一步減少天線在設備中所占據的空間，設定該天線陣列的接收天線和接收天線相距λ，發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。改進的毫米波Massive MIMO天線陣列如圖3所示。

圖3 改進的毫米波Massive MIMO陣列

結束語：混合波束賦形技術要求，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的系統，基站的預編碼處理先進行模擬預編碼，然后進行數字預編碼，分別使用了模擬基帶模塊和數字基帶模塊，兩者的結合不再使用加法器，這在一定程度上降低了系統的成本，提高了利用率。本文采用雙差頻信號的三維立體的毫米波Massive MIMO陣列設計方案，研究在低系統成本的情況下提高角度分辨率，減少天線在設備中所占據的空間，有效地提升系統整體性能，減少功率損耗。