5G中MIMO天線和輻射功率關(guān)系的探究

劉正華，李栓柱，崔榮梅，楊志華

（1.河北傳媒學(xué)院信息技術(shù)與文化管理學(xué)院，河北 石家莊 050010；2.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

1 研究背景

5G毫米波通信有效地改善了頻段資源緊缺的問題，使通信系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率達(dá)到了數(shù)量級的提升?；诤撩撞夹g(shù)采用新型的幀結(jié)構(gòu)，使時隙和OFDM符號的時長均得到了縮短，極大地提升了信號帶寬。與此同時，5G依然面臨極大挑戰(zhàn)。首先，用戶體驗(yàn)（User Experience，UE）速率擴(kuò)大10～100倍；其次，需要毫秒級的端到端時延；最后，需要滿足低功率大連接數(shù)要擴(kuò)大到100～1 000倍。而傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)無法滿足5G高性能的需求，Massive MIMO陣列技術(shù)具有立體空間的優(yōu)勢，能夠極大地提高空間利用率和分辨率，減少干擾，實(shí)現(xiàn)信號的可靠高速傳輸，同時采用更加先進(jìn)的理念、技術(shù)和算法，能夠深度挖掘能效和頻譜效率，優(yōu)化資源分配問題。文獻(xiàn)[1]對天線賦形技術(shù)提出了一種改進(jìn)型毫米波Massive MIMO陣列，接收端與發(fā)射端均為三維分布，天線的布置數(shù)目得到大幅度提高，采用相同資源可服務(wù)更多客戶，從而提升了系統(tǒng)整體性能，成為能效優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。在文獻(xiàn)[2]中，在滿足基站總功率和用戶最低數(shù)據(jù)速率的條件下，對注水功率分配算法進(jìn)行改進(jìn)，完善了系統(tǒng)地能效資源分配方案，提升了系統(tǒng)資源的靈活度與系統(tǒng)能效。同時，對下行鏈路的能效問題進(jìn)行了深入的研究，通過對大量的預(yù)編碼和算法、優(yōu)化能效函數(shù)等進(jìn)行分析，得出增加基站天線數(shù)目，提高了系統(tǒng)的吞吐量。但是，系統(tǒng)的能量效率不會一直提高，而是先增加后下降。在文獻(xiàn)[3]中，針對多用戶毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的混合波束賦形（Hybrid Beam Forming，HBF）問題，提出了采用數(shù)模混合波束成形的收發(fā)兩端方案。

綜上所述，深度挖掘能效和頻譜效率需大量的預(yù)編碼算法和波束賦形技術(shù)的應(yīng)用，使導(dǎo)頻開銷線性增長，直接影響信道建模與高效信道信息獲取。同時，信道信息與計算復(fù)雜度約束極大地影響了大規(guī)模空分多址傳輸，新技術(shù)的應(yīng)用所帶來的功耗問題也有待進(jìn)一步研究。為此本文合理設(shè)計基站位置、基站天線數(shù)、小區(qū)用戶數(shù)，使其適應(yīng)系統(tǒng)能效的變化規(guī)律。另外，為降低HBF系統(tǒng)的能耗給出了抑制導(dǎo)頻污染的設(shè)計方案。

2 天線數(shù)M和用戶數(shù)K的設(shè)計

由仿真測試數(shù)據(jù)可知，增加基站天線數(shù)目，可以提高系統(tǒng)的吞吐量，但系統(tǒng)的能量效率不會一直提高，而是提升到一定程度就開始下降了[2]。接下來要研究的問題是，如何在保證系統(tǒng)能量效率符合設(shè)計要求的同時，確定基站天線數(shù)目和小區(qū)的用戶數(shù)。通過下列步驟設(shè)計和計算天線數(shù)M和用戶數(shù)K，基本上能使系統(tǒng)能效（Energy Efficiency，EE）達(dá)到理想值。

2.1 確定基站位置

復(fù)雜地形，參差不齊的建筑，采用普通的建立基站方式根本解決不了問題，必須由點(diǎn)到線，由線到面，也就是說經(jīng)過實(shí)地勘測，結(jié)合地形與單個基站高度、覆蓋范圍、阻擋程度等因素進(jìn)行選址。一般由工作人員進(jìn)行實(shí)地勘測，由設(shè)計院計算并選定位置，避開消耗能量的環(huán)境，降低能量的損耗，使EE的值達(dá)到最高。

2.2 計算小區(qū)的覆蓋范圍

2.2.1 路徑損耗模型

采用路徑損耗預(yù)測中常使用的HATA模型模擬路徑損耗。COST-231Hata模型的傳播路徑損耗公式為

式中，f為信號的工作頻率；hb、hm分別為基站天線高度與移動臺天線高度；d為傳輸距離；a(hm)、Cm分別為移動臺天線修正因子。不同環(huán)境下的校正因子的值如表1所示。

表1 校正因子參數(shù)值

2.2.2 計算覆蓋范圍

進(jìn)行鏈路預(yù)算可以計算允許的最大路徑損耗，從而得出最大的基站傳輸距離，確定基站與終端間允許的距離。

求解最大路徑損耗以一個例子示意：基站的發(fā)射功率一般為20 dBm，假設(shè)接收機(jī)靈敏度為-100 dBm，接收天線增益為6 dBi，發(fā)射天線增益為6 dBi，衰落余量為12 dB。可以算出最大路徑損耗為120 dB。那么根據(jù)Cost231-HATA模型的公式（1），可以算出：當(dāng)hb、hm、f分別為30 m、1 m、1 800 MHz時，計算得出，在大城市市中心情況下，基站與移動臺距離d為262 m；在中等城市及郊區(qū)場景下，基站的傳輸距離為575 m。

2.2.3 計算能量效率

依據(jù)上述計算路徑損耗結(jié)果，計算能量效率。用η來表示，則

2.2.4 確定基站的天線數(shù)M和用戶數(shù)K

計算系統(tǒng)基站的天線數(shù)M和用戶數(shù)K流程如圖1所示。

圖1 計算M和K流程圖

3 抑制導(dǎo)頻污染的設(shè)計方案

3.1 Massive MIMO天線的性能分析

根據(jù)復(fù)雜度分析可知，提高M(jìn) a s s i v e MIMO的能效，減少系統(tǒng)的能耗是關(guān)鍵。

3.1.1 全數(shù)字波束成形在Ma s sive MIMO系統(tǒng)中不再可行

全數(shù)字波束成形要求：在每根天線上都配置一條射頻（Radio Frequency，RF）鏈路，需要大量硬件資源，接收機(jī)射頻鏈路若在256根天線的Massive MIMO系統(tǒng)中，每根天線上都配置高速、高精度ADC時，光ADC的功耗就高達(dá)數(shù)百瓦，而且ADC芯片價格也隨量化精度呈現(xiàn)出近似指數(shù)增長的趨勢，如此高的成本和能耗顯然是提高M(jìn)assive MIMO能效的一大障礙，所以全數(shù)字波束成形不再適應(yīng)Massive MIMO的需求。

3.1.2 Massive MIMO天線陣的弊端

改進(jìn)型毫米波Massive MIMO天線陣列收發(fā)雙端均為三維分布，能夠提高空間利用率和分辨率[1]。其設(shè)計方案是：接收天線和接收天線距離為λ，發(fā)射天線和接收天線距離為λ/4，這樣可以縮減天線體積。但是Massive MIMO陣元的小間距使其背面幾乎沒有空間容納所有RF鏈路并將其連接到基帶處理器上。

3.1.3 全連接和部分連接架構(gòu)性能分析

全連接的每根天線都通過移相器連接到所有RF鏈路上，無疑能獲得全陣列增益。但大量的移相器，使得系統(tǒng)能耗依然較大。而部分連接每根天線都通過移相器只連接到一個RF鏈路上，硬件上更容易實(shí)現(xiàn)，但隨之而來的將引入更多的約束，使得波束成形算法更加復(fù)雜。

綜合以上分析，改進(jìn)型毫米波Massive MIMO天線陣列的三維分布、全數(shù)字波束成形、部分連接架構(gòu)都為提高系統(tǒng)的能效帶來一定的困擾，那么混合波束成型如何呢？

3.2 混合波束成形性能分析

3.2.1 混合波束成形方案的優(yōu)勢

混合波束成形（Hybrid Beam Forming，HBF）的核心技術(shù)是將傳統(tǒng)的全數(shù)字波束成形器由少量的RF鏈路實(shí)現(xiàn)，無疑這是一個很好的設(shè)計思路，是近年來興起的方案[3]。

RF鏈路在mm Wave和Massive MIMO中，不管是在信號發(fā)送系統(tǒng)還是接收系統(tǒng)中都會用到它。天線發(fā)送的是射頻信號，被饋送給DAC（數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器）成為帶有載波的射頻信號，饋送給天線。接收端是發(fā)送的逆過程，需要通過解調(diào)和A/D變換還原回基帶信號。RF鏈路在DAC到發(fā)射天線、ADC到接收天線之間起到放大器、濾波器、混頻器、衰減器和檢測器等作用，減少它的數(shù)量自然是提高能效的重要手段。

HBF方案的實(shí)現(xiàn)與探究：該方案通過信道建模，對提高系統(tǒng)性能問題做了全面分析。首先，提出基于稀疏主成分分析的算法，能夠進(jìn)行特征提取和數(shù)據(jù)降維；其次，把最優(yōu)系統(tǒng)與最優(yōu)問題轉(zhuǎn)換成加權(quán)均方誤差最小化（Weighted Minimum Mean Square Error，WMMSE）問題，再利用塊坐標(biāo)下降算法進(jìn)行求解。該方案無須對用戶數(shù)量或數(shù)字波束形成矩陣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行附加限制。

3.2.2 混合波束成形存在的問題

混合波束成型方案有很多的優(yōu)勢，但仍有如下問題。一是為了彌補(bǔ)毫米波的傳輸損耗，提高系統(tǒng)性能，發(fā)送端采用了數(shù)字預(yù)編碼技術(shù)。采用技術(shù)，在發(fā)送端利用信道的狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI），對發(fā)送信號的空間特性進(jìn)行優(yōu)化，此過程需要導(dǎo)頻序列進(jìn)行信道估計方能獲取；二是發(fā)送端和接收端均需要進(jìn)行HBF的設(shè)計，準(zhǔn)確地獲得符號同步會對導(dǎo)頻序列提出更嚴(yán)格的要求。由此可知，對于HBF中大量的導(dǎo)頻序列應(yīng)用必然會導(dǎo)致系統(tǒng)的導(dǎo)頻污染，增加系統(tǒng)的能耗；降低能耗應(yīng)該是HBF系統(tǒng)研究的中心話題。為此，本方案提出了新的設(shè)計思路。

3.3 抑制導(dǎo)頻污染的設(shè)計方案

HBF是提升Massive MIMO性能的新設(shè)計方案，如上分析，強(qiáng)大的導(dǎo)頻序列需求必將造成系統(tǒng)的導(dǎo)頻污染。

3.3.1 導(dǎo)頻序列優(yōu)化設(shè)計

（1）預(yù)編碼矩陣：預(yù)編碼矩陣的本質(zhì)是預(yù)先在每一路天線的信號上進(jìn)行一次信號的反向疊加，以抵消發(fā)送出去的信號在空間中的疊加。在MIMO全雙工雙向安全通信系統(tǒng)中，在設(shè)計預(yù)編碼矩陣時，須考慮合法信道、竊聽信道的CSI理想與不理想3種情況[4]。當(dāng)信道CSI達(dá)到理想狀態(tài)時，為滿足系統(tǒng)的保密性和最大的傳輸率，利用DC規(guī)劃DC規(guī)劃（凸函數(shù)之差）是非線性最優(yōu)化問題中一類特殊又非常重要的問題，是近年來國際上最優(yōu)化領(lǐng)域熱門的研究方向。算法優(yōu)化信道信號和人工噪聲的預(yù)編碼矩陣；在信道CSI不理想的條件下，利用WMMSE方法獲得最差條件下的保密性和速率。

（2）基于碼本的預(yù)編碼：在基于碼本的預(yù)編碼中，接收端與發(fā)射端共用一組已知碼本集合[5]。并且接收端依據(jù)信道估計的信道矩陣從碼本集合中選出指定的符合系統(tǒng)性能的預(yù)編碼矩陣，再將預(yù)編碼矩陣標(biāo)號（Precoding Matrix Indicator，PMI）反饋給發(fā)送端。UE還要計算出利用PMI后的信道質(zhì)量，并向其報告信道質(zhì)量指標(biāo)（Channel Quality Indicator，CQI）。發(fā)射端按照序列號選擇預(yù)編碼矩陣進(jìn)行預(yù)編碼。由于反饋信息僅需編碼序列，因此可以極大地降低反饋量，并能有效地抑制導(dǎo)頻干擾，節(jié)省帶寬?；诖a本預(yù)編碼流程如圖2所示。

圖2 基于碼本預(yù)編碼的流程

3.3.2 基于碼本的預(yù)編碼設(shè)計

對碼本的預(yù)編碼過程進(jìn)行仿真分析，從測試的結(jié)果可知：隨著反饋比特數(shù)的增加，基于離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transformation，DFT）碼本的預(yù)編碼技術(shù)的系統(tǒng)性能也隨之增加。由此可知，碼本的設(shè)計方法對預(yù)編碼的性能有重要的影響。預(yù)編碼矩陣應(yīng)該按照每個預(yù)編碼矩陣對該通信系統(tǒng)性能參數(shù)的貢獻(xiàn)來進(jìn)行排序，將排好序的預(yù)編碼矩陣的完整集合用作預(yù)編碼矩陣碼書組。為了使碼本的設(shè)計和信道性能相匹配，根據(jù)上述信道質(zhì)量指示進(jìn)行程序設(shè)計，使預(yù)編碼矩陣自動適應(yīng)信道性能指標(biāo)的需求。PMI自適應(yīng)程序流程如圖3所示。■

圖3 PMI自適應(yīng)程序流程圖