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《西安邮电大学》 2019年
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基于动态天线子阵列的毫米波混合预编码设计

袁玥  
【摘要】:第五代移动通信网络系统采用毫米波频段中大量未被利用的带宽。毫米波(Millimeter Wave,mmW)可以缓和频谱资源紧张的现状,但同时在信息传递中会带来严重的路径损耗。这一问题可通过在发射端部署几百根甚至几千根的天线解决,从而获得更高的阵列增益和空间自由度,实现准确的空分复用。然而,大规模数量的天线阵列带来的硬件成本、复杂度和功耗亦是需要解决的问题。对于毫米波大规模多输入多输出(Massive Multiple-Input Multiple-Output,massive MIMO)系统,混合模拟/数字预编码是一种高效的收发器。在混合预编码系统中普遍采用天线全连接架构。在这种架构下,每个射频(Radio Frequency,RF)链通过移相器(Phase Shifter,PS)和RF加法器连接到所有天线。PS和RF加法器的数量随着天线数量的线性增加会导致硬件成本和功耗过高。为了解决这一问题,本文采用部分连接架构混合预编码。部分连接架构可以大大减少PS的数量,并且无需RF加法器,使硬件成本和功耗都得以有效地降低。部分连接架构可以分为两类:固定子阵列和动态子阵列。在固定子阵列架构中,每个RF链与拥有固定数量天线的子集连接;同时,每根天线仅连接到一个RF链。在动态子阵列架构中,每个RF链与根据信道信息自适应划分的天线子集连接。本文先针对单用户massive MIMO系统,提出了一种基于发射信号互信息最大的混合预编码。之后,在此混合预编码的基础上设计了一种对应的天线子阵列划分算法。并通过仿真验证了该算法的性能优势。随后,本文基于动态子阵列架构提出了一种应用于多用户massive MIMO系统的下行链路混合模拟/数字预编码。与现有方案不同的是,基站(Base Station,BS)首先通过最优波束计算模拟等效信道从而选择要服务的用户。然后,设计天线子阵列划分算法,将每个天线单元根据用户信干噪比(Signal to the Interference Noise Ratio,SINR)增量最大的准则分配给RF链。最后,针对动态子阵列架构优化混合预编码。通过计算所选用户的模拟等效信道SINR,天线分配可以大大降低计算复杂度和搜索空间的大小。此外,因为每个天线单元根据所有服务用户的最大SINR增量分配还能保证用户间公平性。仿真结果表明,与固定子阵列相比,所提出方案的能效和和速率明显更优;并且与全连接架构相比,所提出方案在系统和速率损失较低的同时获得了更高的能效。通过本文的研究证明:动态子阵列可在毫米波massive MIMO系统中实现性能和硬件复杂度之间的折衷。
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