面向5G的毫米波Massive MIMO矩陣設(shè)計技術(shù)研究

王志兵 李杏清 魏海紅

（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)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(shè)計，并通過編程完成實驗仿真，實驗結(jié)果表面，該陣列設(shè)計在低系統(tǒng)成本的情況下提高了角度分辨率，減少天線在設(shè)備中所占據(jù)的空間，有效地提升系統(tǒng)整體性能，減少功率損耗。

與前幾代移動通信技術(shù)相比，5G面臨極大挑戰(zhàn)：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(guī)模連接數(shù)擴大10～100倍。大規(guī)模天線技術(shù)（Massive MIMO）引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。相比于傳統(tǒng)的MIMO，Massive MIMO有以下優(yōu)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(xiàn)深度挖掘空間資源。（2）極大地減少干擾，實現(xiàn)信號的可靠高速傳輸。（3）在不同的維度情況下該技術(shù)有利于頻譜效率的提高和能量的利用。現(xiàn)有的5G設(shè)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(nèi)提升系統(tǒng)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(fā)利用波段。然而，單純的毫米波頻段系統(tǒng)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(shù)同Massive MIMO技術(shù)結(jié)合，Massive MIMO技術(shù)可以彌補毫米波技術(shù)缺陷，毫米波技術(shù)因為其波長短而更適合大規(guī)模天線陣列的部署，這使得毫米波Massive MIMO技術(shù)具有較低復(fù)雜度和較好性能的優(yōu)點而成為研究5G技術(shù)的熱點之一。

1 多用戶混合波速賦形技術(shù)預(yù)編碼算法設(shè)計

多用戶系統(tǒng)由于不同用戶所在的地理位置不同，不同系統(tǒng)難于協(xié)調(diào)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(tǒng)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(shù)據(jù)速率，為了盡可能的消除多用戶間的干擾，基站需要對發(fā)射信號進行預(yù)編碼處理。

通常，基站是通過信道狀態(tài)信息對發(fā)送數(shù)據(jù)進行預(yù)編碼處理，當(dāng)用戶終端配置多根天線時，多用戶系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)為誤比特率的改善和數(shù)據(jù)速率的提升。因此，本課題在單用戶混合波束賦形技術(shù)研究的前提下，繼續(xù)開展多用戶波束賦形技術(shù)的研究，多用戶混合波束賦形技術(shù)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 多用戶波束賦形技術(shù)系統(tǒng)框圖

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

對于多載波多用戶，由于各種條件的限制，以前的學(xué)者大多采用其中一種反饋信息來作為對應(yīng)的調(diào)制，但是，這樣很難估算出準(zhǔn)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(tǒng)中的信號與干擾問題，也就是對應(yīng)的噪聲比。為了得到更高的信噪比，我們對傳統(tǒng)的優(yōu)化編碼算法進行了改進，提出一種基于遺傳算法的分級權(quán)重算法，從而避免了模擬、數(shù)字預(yù)編碼矩陣之間權(quán)重不統(tǒng)一，需要反復(fù)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(yù)編碼和數(shù)字預(yù)編碼的次優(yōu)解，之后通過分級權(quán)重得到模擬預(yù)編碼和數(shù)字預(yù)編碼的最優(yōu)解。

2 毫米波Massive MIMO陣列設(shè)計

設(shè)計毫米波Massive MIMO陣列，實現(xiàn)高增益、大帶寬、波瓣寬度、波束掃描等方面的指標(biāo)，其中，射頻指標(biāo)滿足3GPP指標(biāo)要求，系統(tǒng)有效帶寬不小于400 M。

本文在設(shè)計大規(guī)模天線陣列的時候，采用調(diào)頻模式，先獲得發(fā)射信號和接收信號的差頻信號，然后對大規(guī)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(yīng)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(tǒng)成本，假設(shè)天線陣列中發(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)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(tǒng)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(shè)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(tǒng)的二維天線陣列，有三個主要區(qū)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(shè)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(fā)射天線分布在三維空間，大大提升了天線的布置數(shù)目，在相同視頻資源內(nèi)服務(wù)更多用戶，可以有效地提升系統(tǒng)整體性能，減少功率損耗；第三，為了進一步減少天線在設(shè)備中所占據(jù)的空間，設(shè)定該天線陣列的接收天線和接收天線相距λ，發(fā)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(jié)束語：混合波束賦形技術(shù)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(shù)的系統(tǒng)，基站的預(yù)編碼處理先進行模擬預(yù)編碼，然后進行數(shù)字預(yù)編碼，分別使用了模擬基帶模塊和數(shù)字基帶模塊，兩者的結(jié)合不再使用加法器，這在一定程度上降低了系統(tǒng)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(shè)計方案，研究在低系統(tǒng)成本的情況下提高角度分辨率，減少天線在設(shè)備中所占據(jù)的空間，有效地提升系統(tǒng)整體性能，減少功率損耗。