大规模MIMO系统中混合波束赋形技术研究

伍爽

摘要：混合波束赋形技术作为5G中解决大规模天线应用的关键技术之一受到学者和工业界的普遍青睐。因此，本文主要对大规模MIMO系统下混合波束赋形技术的产生背景，主要的系统架构，工作原理进行介绍，并给出大规模天线系统下进行混合波束赋形需要解决的主要问题。

1.混合波束赋形技术产生背景

Massive MIMO作为5G的候选技术方案之一，通过增加收发机天线数目可以有效的提高通信系统的性能，以及抑制小尺度衰落对系统性能的影响，同时有利于克服用户间、小区间干扰的影响。但是，Massive MIMO采用与天线数量相同的收发器是不現实的，能量效率较低、实现成本较大、复杂性高。目前来说减少收发器数目的方式主要包括模拟BF和数字BF，模拟BF主要形式是一个收发器同时连接多个有源天线，通过调节天线阵列的相位来实现BF，但这种方案存在的一个缺陷就是波束太宽，不能很好的对抗用户之间的干扰。而全数字的BF需要与天线数量相同的链路数，成本大，复杂度高。因此，目前主要的研究方向是模拟和数字结合的混合波束赋形技术，HBF通过设计两个独立的波束赋形矩阵，即模拟波束成形矩阵和数字波束成形矩阵，来实现更窄的波束，混合波束赋形一方面有助于提高天线的增益和系统容量，另一方面有助于降低干扰。混合波束赋形（HBF）作为一种新技术，通过在基带端和射频端同时进行编码，有效的降低了RF链路的数量，在保证系统频谱效率的同时，在很大程度上降低了系统的硬件和能量消耗。

2.混合波束赋形主要的系统架构

根据每个射频链路与天线阵元之间的映射关系，可以把混合波束赋形分为两种架构：全连接架构；部分连接架构。所谓全连接架构是指经过每个射频链路的信号映射到所有天线阵元。部分连接架构是指通过射频链路的信号只映射到部分天线阵元上。

如图（1）所示是全链接架构的两种形式，图1.（a）中射频链路和天线阵元之间通过模拟移向器连接；图1.（b）中射频链路和天线阵元之间通过开关进行连接。

对于图（1a）的架构来说，由于模拟移向器具有一定的分辨率，通常来说移向器的分辨率越高，系统能够达到的性能越好；而对于图（1b）所示的架构，由于开关只具有两个状态0和1，只能够控制信号的通断，因此，相对于图（1a）所示的架构来说，图（1b）架构所能达到的性能相对来说要差一些。但是开关相对于移向器来说需要的成本较低，再者就是在系统工作的过程中需要消耗的能量较小，因此在实际的应用过程中应综合考虑上述多个因素，从而选择最优的实施方案。

如图（2）所示是全链接架构的两种形式，图（2a）中射频链路和天线阵元之间通过模拟移向器连接；图（2b）中射频链路和天线阵元之间通过开关进行连接。通过上述分析我们知道采用图（2a）架构的系统的性能要优于采用图（2b）架构的系统。但是图（2b）中的开关相对于图（2a）来说成本较低，功耗较小，因此仍需要根据具体的状况来决定采用哪种架构。

同时，对于全连接和部分连接的混合波束赋形架构来说，全连接架构由于每个射频链路通过开关或移向器连接到所有天线阵元，而部分连接架构每个射频链路只连接到部分天线阵元。因此从模拟端来看全连接架构相对于部分连接架构来说具有更大的自由度，这也就意味着全连接架构相对于部分连接架构来说可以实现更高的频谱效率。但是值得我们注意的是对于含有相同天线阵元的天线阵列来说，全连接架构需要的移相器或开关的数目远远大于部分连接架构，这也就意味着全连接架构需要消耗更多的器件，需要花费更多的成本，需要消耗更多的能量。因此，在实际的应用过程中我们应该综合考虑上述各方面的因素，选择一个合理的系统架构。

3.混合波束赋形的工作原理和需要解决的主要问题

波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术，波束赋形通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，从而能够获得明显的阵列增益。因此，波束赋形技术在扩大覆盖范围、改善边缘吞吐量以及干扰抑止等方面都有很大的优势。

而混合波束赋形区别于传统的数字和模拟波束赋形，混合波束赋形是在系统的基带端和射频端同时进行波束赋形，基带端的编码器可以同时调节信号的幅度和相位信息，射频端的编码器主要通过模拟移向器来实现，因此主要用于调节信号的相位信息。如下图（3）所示是发射端的混合波束赋形系统模块图，该系统的发射端的信号可以表示为

其中F是满足常数模值约束的复数向量集合，P表示系统的总功率。因此，采用混合波束赋形架构的MIMO系统需要解决的主要问题就是怎么设计满足常数模值约束的模拟移相器和满足功率约束和数字移相器使得系统的容量最大。

参考文献：

[1] R. Méndez-Rial， C. Rusu， N. González-Prelcic， A. Alkhateeb and R. W. Heath， "Hybrid MIMO Architectures for Millimeter Wave Communications： Phase Shifters or Switches？，" in IEEE Access， vol. 4， no. ， pp. 247-267， 2016.

[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.