伍爽

摘要：混合波束賦形技術(shù)作為5G中解決大規(guī)模天線應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一受到學者和工業(yè)界的普遍青睞。因此，本文主要對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)下混合波束賦形技術(shù)的產(chǎn)生背景，主要的系統(tǒng)架構(gòu)，工作原理進行介紹，并給出大規(guī)模天線系統(tǒng)下進行混合波束賦形需要解決的主要問題。

1.混合波束賦形技術(shù)產(chǎn)生背景

Massive MIMO作為5G的候選技術(shù)方案之一，通過增加收發(fā)機天線數(shù)目可以有效的提高通信系統(tǒng)的性能，以及抑制小尺度衰落對系統(tǒng)性能的影響，同時有利于克服用戶間、小區(qū)間干擾的影響。但是，Massive MIMO采用與天線數(shù)量相同的收發(fā)器是不現(xiàn)實的，能量效率較低、實現(xiàn)成本較大、復雜性高。目前來說減少收發(fā)器數(shù)目的方式主要包括模擬BF和數(shù)字BF，模擬BF主要形式是一個收發(fā)器同時連接多個有源天線，通過調(diào)節(jié)天線陣列的相位來實現(xiàn)BF，但這種方案存在的一個缺陷就是波束太寬，不能很好的對抗用戶之間的干擾。而全數(shù)字的BF需要與天線數(shù)量相同的鏈路數(shù)，成本大，復雜度高。因此，目前主要的研究方向是模擬和數(shù)字結(jié)合的混合波束賦形技術(shù)，HBF通過設(shè)計兩個獨立的波束賦形矩陣，即模擬波束成形矩陣和數(shù)字波束成形矩陣，來實現(xiàn)更窄的波束，混合波束賦形一方面有助于提高天線的增益和系統(tǒng)容量，另一方面有助于降低干擾?；旌喜ㄊx形（HBF）作為一種新技術(shù)，通過在基帶端和射頻端同時進行編碼，有效的降低了RF鏈路的數(shù)量，在保證系統(tǒng)頻譜效率的同時，在很大程度上降低了系統(tǒng)的硬件和能量消耗。

2.混合波束賦形主要的系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)每個射頻鏈路與天線陣元之間的映射關(guān)系，可以把混合波束賦形分為兩種架構(gòu)：全連接架構(gòu)；部分連接架構(gòu)。所謂全連接架構(gòu)是指經(jīng)過每個射頻鏈路的信號映射到所有天線陣元。部分連接架構(gòu)是指通過射頻鏈路的信號只映射到部分天線陣元上。

如圖（1）所示是全鏈接架構(gòu)的兩種形式，圖1.（a）中射頻鏈路和天線陣元之間通過模擬移向器連接；圖1.（b）中射頻鏈路和天線陣元之間通過開關(guān)進行連接。

對于圖（1a）的架構(gòu)來說，由于模擬移向器具有一定的分辨率，通常來說移向器的分辨率越高，系統(tǒng)能夠達到的性能越好；而對于圖（1b）所示的架構(gòu)，由于開關(guān)只具有兩個狀態(tài)0和1，只能夠控制信號的通斷，因此，相對于圖（1a）所示的架構(gòu)來說，圖（1b）架構(gòu)所能達到的性能相對來說要差一些。但是開關(guān)相對于移向器來說需要的成本較低，再者就是在系統(tǒng)工作的過程中需要消耗的能量較小，因此在實際的應(yīng)用過程中應(yīng)綜合考慮上述多個因素，從而選擇最優(yōu)的實施方案。

如圖（2）所示是全鏈接架構(gòu)的兩種形式，圖（2a）中射頻鏈路和天線陣元之間通過模擬移向器連接；圖（2b）中射頻鏈路和天線陣元之間通過開關(guān)進行連接。通過上述分析我們知道采用圖（2a）架構(gòu)的系統(tǒng)的性能要優(yōu)于采用圖（2b）架構(gòu)的系統(tǒng)。但是圖（2b）中的開關(guān)相對于圖（2a）來說成本較低，功耗較小，因此仍需要根據(jù)具體的狀況來決定采用哪種架構(gòu)。

同時，對于全連接和部分連接的混合波束賦形架構(gòu)來說，全連接架構(gòu)由于每個射頻鏈路通過開關(guān)或移向器連接到所有天線陣元，而部分連接架構(gòu)每個射頻鏈路只連接到部分天線陣元。因此從模擬端來看全連接架構(gòu)相對于部分連接架構(gòu)來說具有更大的自由度，這也就意味著全連接架構(gòu)相對于部分連接架構(gòu)來說可以實現(xiàn)更高的頻譜效率。但是值得我們注意的是對于含有相同天線陣元的天線陣列來說，全連接架構(gòu)需要的移相器或開關(guān)的數(shù)目遠遠大于部分連接架構(gòu)，這也就意味著全連接架構(gòu)需要消耗更多的器件，需要花費更多的成本，需要消耗更多的能量。因此，在實際的應(yīng)用過程中我們應(yīng)該綜合考慮上述各方面的因素，選擇一個合理的系統(tǒng)架構(gòu)。

3.混合波束賦形的工作原理和需要解決的主要問題

波束賦形是一種基于天線陣列的信號預處理技術(shù)，波束賦形通過調(diào)整天線陣列中每個陣元的加權(quán)系數(shù)產(chǎn)生具有指向性的波束，從而能夠獲得明顯的陣列增益。因此，波束賦形技術(shù)在擴大覆蓋范圍、改善邊緣吞吐量以及干擾抑止等方面都有很大的優(yōu)勢。

而混合波束賦形區(qū)別于傳統(tǒng)的數(shù)字和模擬波束賦形，混合波束賦形是在系統(tǒng)的基帶端和射頻端同時進行波束賦形，基帶端的編碼器可以同時調(diào)節(jié)信號的幅度和相位信息，射頻端的編碼器主要通過模擬移向器來實現(xiàn)，因此主要用于調(diào)節(jié)信號的相位信息。如下圖（3）所示是發(fā)射端的混合波束賦形系統(tǒng)模塊圖，該系統(tǒng)的發(fā)射端的信號可以表示為

其中F是滿足常數(shù)模值約束的復數(shù)向量集合，P表示系統(tǒng)的總功率。因此，采用混合波束賦形架構(gòu)的MIMO系統(tǒng)需要解決的主要問題就是怎么設(shè)計滿足常數(shù)模值約束的模擬移相器和滿足功率約束和數(shù)字移相器使得系統(tǒng)的容量最大。

參考文獻：

[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.