多輸入多輸出系統(tǒng)中動態(tài)連接混合預(yù)編碼設(shè)計

李樹梅 李正權(quán)，2

1. 江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省未來網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院 江蘇 南京 211111

引言

目前，蜂窩網(wǎng)絡(luò)總可用帶寬不足以支持5G移動服務(wù)的流量需求，從而推動探索帶寬豐富、利用率較低的30-100GHz毫米波頻段。但毫米波通信路徑損耗高，必須結(jié)合大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple input multiple output，MIMO）技術(shù)，大量天線帶來的天線陣列增益彌補這一缺陷。

1 混合預(yù)編碼技術(shù)研究現(xiàn)狀

毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中采用混合預(yù)編碼技術(shù)對包含數(shù)據(jù)信息的發(fā)送信號進(jìn)行預(yù)處理，消除信號間的干擾，使得MIMO系統(tǒng)頻譜效率性能表現(xiàn)最優(yōu)。混合預(yù)編碼由低維度數(shù)字預(yù)編碼和高維度模擬預(yù)編碼組成，該結(jié)構(gòu)能夠降低射頻鏈路功耗，且可實現(xiàn)與采用最佳無約束預(yù)編碼等同的頻譜效率[1-2]。

常見混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)包括全連接（Fully-connected，F(xiàn)C）和子連接（Sub-connected，SC）兩種結(jié)構(gòu)[3]。在全連接結(jié)構(gòu)中，每個射頻鏈均與全部天線陣列單元相連，故而大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可以獲得高天線陣列增益，但所需移相器數(shù)目隨著天線陣列規(guī)模增大而增加，而且往往需要高分辨率移相器，以保證系統(tǒng)的頻譜效率性能，然而高分辨率移相器意味著硬件功耗增加。在子連接結(jié)構(gòu)中，天線陣列被分為多個天線子集，每個射頻鏈僅與其中一個固定的天線子集相連，移相器數(shù)量大大減少，從而降低了硬件功耗，但系統(tǒng)頻譜效率降低[4]。

近年來，F(xiàn)eng等人提出了雙相位分辨率移相器的混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)，雖然低分辨率移相器功耗低，但移相器數(shù)量并未發(fā)生變化[5]。Yan等人基于子連接結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種變化的部分子連接結(jié)構(gòu)，使得每個射頻鏈可以與多個天線陣列子集合連接[6]。上述方案無法完全適應(yīng)信道狀態(tài)變化，滿足不了實際系統(tǒng)中頻譜效率和功耗需求。因此，研究更為靈活的混合預(yù)編碼連接結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法是很有必要的。

2 系統(tǒng)模型

假設(shè)基站發(fā)射端配備根發(fā)射天線、個射頻鏈，用戶接收端配置根接收天線和個射頻鏈，數(shù)據(jù)流數(shù)為。基站發(fā)射端對發(fā)射信號s進(jìn)行數(shù)字預(yù)編碼、模擬預(yù)編碼處理后，經(jīng)由發(fā)射天線發(fā)送至加噪信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，用戶端對數(shù)據(jù)處理得到接收信號，以實現(xiàn)多數(shù)據(jù)流傳輸。采用Saleh-Valenzuela信道模型，則接收信號向量為：

3 動態(tài)連接混合預(yù)編碼設(shè)計

3.1 動態(tài)連接結(jié)構(gòu)

為充分利用全連接和子連接兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，設(shè)計了一種基于動態(tài)連接（Dynamic-partially connection，DPC）結(jié)構(gòu)的混合預(yù)編碼。在該動態(tài)連接結(jié)構(gòu)中，模擬預(yù)編碼由開關(guān)連接網(wǎng)絡(luò)和移相器兩部分組成，每個射頻鏈與每根發(fā)射天線間設(shè)置一個動態(tài)開關(guān)，以控制射頻鏈與天線的連接。設(shè)定每個射頻鏈與M根天線相連，即每個射頻鏈路需要的移相器數(shù)量為M。通過調(diào)節(jié)開關(guān)狀態(tài)，動態(tài)連接結(jié)構(gòu)具有高度靈活性。

3.2 混合預(yù)編碼設(shè)計

假定收發(fā)端均已知信道狀態(tài)信息，以高斯信號作為發(fā)射信號，則系統(tǒng)頻譜效率R為：

本文以系統(tǒng)頻譜效率作為指標(biāo)設(shè)計混合預(yù)編碼，故只需最大化式中的第二項。

由移相器的恒模約束條件可知，混合預(yù)編碼設(shè)計具有非凸約束限制，求解類似的多元變量優(yōu)化問題，難度大、復(fù)雜度高。當(dāng)模擬預(yù)編碼矩陣已知的情況下，數(shù)字預(yù)編碼矩陣可以由等效信道的奇異值分解得到。因此問題表述為：

4 仿真實驗與分析

圖1 系統(tǒng)頻譜效率隨信噪比變化情況

本節(jié)對毫米波大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗與分析。設(shè)定收發(fā)端天線數(shù)為64，射頻鏈路數(shù)為4，數(shù)據(jù)流數(shù)為4或2，傳輸路徑增益服從瑞利分布，發(fā)射功率均勻分配。將提出的相位交替優(yōu)化（Phase alternation optimization，PAO）方法用于FC、SC結(jié)構(gòu)，并與以下算法作對比：最佳無約束預(yù)編碼（OPT）；采用梯度下降的混合預(yù)編碼（AO）算法；逐元素更新算法（EBE）、矩陣矢量化（VEC）算法。

如上圖所示，幾種算法的頻譜效率均隨著信噪比的增加而提高。與現(xiàn)有算法相比，本文所提出的PAO混合預(yù)編碼設(shè)計方法實現(xiàn)了頻譜效率的提升，且其性能接近于最佳無約束預(yù)編碼。當(dāng)所需頻譜效率一定時，采用提出的混合預(yù)編碼設(shè)計方法可減少所需移相器數(shù)量，從而降低硬件功耗。

5 結(jié)束語

本文提出基于動態(tài)連接的混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)可工作于全連接、子連接等多種結(jié)構(gòu)狀態(tài)，且提出的相位交替優(yōu)化設(shè)計方法，提高了通信系統(tǒng)的頻譜效率，從而可以減少移相器數(shù)量，降低硬件功耗，以適應(yīng)多種實際通信應(yīng)用場景的變化。