多輸入多輸出系統中動態連接混合預編碼設計

李樹梅 李正權，2

1. 江南大學物聯網工程學院 江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省未來網絡創新研究院 江蘇 南京 211111

引言

目前，蜂窩網絡總可用帶寬不足以支持5G移動服務的流量需求，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，必須結合大規模多輸入多輸出（Multiple input multiple output，MIMO）技術，大量天線帶來的天線陣列增益彌補這一缺陷。

1 混合預編碼技術研究現狀

毫米波大規模MIMO系統中采用混合預編碼技術對包含數據信息的發送信號進行預處理，消除信號間的干擾，使得MIMO系統頻譜效率性能表現最優。混合預編碼由低維度數字預編碼和高維度模擬預編碼組成，該結構能夠降低射頻鏈路功耗，且可實現與采用最佳無約束預編碼等同的頻譜效率[1-2]。

常見混合預編碼結構包括全連接（Fully-connected，FC）和子連接（Sub-connected，SC）兩種結構[3]。在全連接結構中，每個射頻鏈均與全部天線陣列單元相連，故而大規模MIMO系統可以獲得高天線陣列增益，但所需移相器數目隨著天線陣列規模增大而增加，而且往往需要高分辨率移相器，以保證系統的頻譜效率性能，然而高分辨率移相器意味著硬件功耗增加。在子連接結構中，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，移相器數量大大減少，從而降低了硬件功耗，但系統頻譜效率降低[4]。

近年來，Feng等人提出了雙相位分辨率移相器的混合預編碼結構，雖然低分辨率移相器功耗低，但移相器數量并未發生變化[5]。Yan等人基于子連接結構設計了一種變化的部分子連接結構，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信道狀態變化，滿足不了實際系統中頻譜效率和功耗需求。因此，研究更為靈活的混合預編碼連接結構和設計方法是很有必要的。

2 系統模型

假設基站發射端配備根發射天線、個射頻鏈，用戶接收端配置根接收天線和個射頻鏈，數據流數為。基站發射端對發射信號s進行數字預編碼、模擬預編碼處理后，經由發射天線發送至加噪信道進行數據傳輸，用戶端對數據處理得到接收信號，以實現多數據流傳輸。采用Saleh-Valenzuela信道模型，則接收信號向量為：

3 動態連接混合預編碼設計

3.1 動態連接結構

為充分利用全連接和子連接兩種結構優勢，設計了一種基于動態連接（Dynamic-partially connection，DPC）結構的混合預編碼。在該動態連接結構中，模擬預編碼由開關連接網絡和移相器兩部分組成，每個射頻鏈與每根發射天線間設置一個動態開關，以控制射頻鏈與天線的連接。設定每個射頻鏈與M根天線相連，即每個射頻鏈路需要的移相器數量為M。通過調節開關狀態，動態連接結構具有高度靈活性。

3.2 混合預編碼設計

假定收發端均已知信道狀態信息，以高斯信號作為發射信號，則系統頻譜效率R為：

本文以系統頻譜效率作為指標設計混合預編碼，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，混合預編碼設計具有非凸約束限制，求解類似的多元變量優化問題，難度大、復雜度高。當模擬預編碼矩陣已知的情況下，數字預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 系統頻譜效率隨信噪比變化情況

本節對毫米波大規模MIMO通信系統進行仿真實驗與分析。設定收發端天線數為64，射頻鏈路數為4，數據流數為4或2，傳輸路徑增益服從瑞利分布，發射功率均勻分配。將提出的相位交替優化（Phase alternation optimization，PAO）方法用于FC、SC結構，并與以下算法作對比：最佳無約束預編碼（OPT）；采用梯度下降的混合預編碼（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。與現有算法相比，本文所提出的PAO混合預編碼設計方法實現了頻譜效率的提升，且其性能接近于最佳無約束預編碼。當所需頻譜效率一定時，采用提出的混合預編碼設計方法可減少所需移相器數量，從而降低硬件功耗。

5 結束語

本文提出基于動態連接的混合預編碼結構可工作于全連接、子連接等多種結構狀態，且提出的相位交替優化設計方法，提高了通信系統的頻譜效率，從而可以減少移相器數量，降低硬件功耗，以適應多種實際通信應用場景的變化。