下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)問(wèn)題淺析

伍爽　韓哲鑫

摘 要 將5G架構(gòu)與現(xiàn)有無(wú)線系統(tǒng)相結(jié)合需要一種新穎的方法或技術(shù)來(lái)使過(guò)程更為順利。因此，為了更好的使5G架構(gòu)與現(xiàn)有無(wú)線系統(tǒng)更好的融合，我們需要對(duì)物理層技術(shù)有更好的了解，通過(guò)對(duì)物理層技術(shù)的組合與協(xié)作來(lái)降低開(kāi)銷(xiāo)，從而獲得最優(yōu)性能。 因此對(duì)現(xiàn)有和未來(lái)可能使用的物理層技術(shù)的研究至關(guān)重要。本文主要對(duì)毫米波信道、波束賦形、大規(guī)模MIMO技術(shù)進(jìn)行討論。

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.08 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1毫米波信道

毫米波頻段的使用給移動(dòng)無(wú)線通信帶來(lái)了許多新的挑戰(zhàn)。主要體現(xiàn)在現(xiàn)有的信道模型已經(jīng)不適用于毫米波頻段了。毫米波信道區(qū)別與現(xiàn)有信道主要體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：

1.1路徑損耗

毫米波在自由空間傳輸?shù)穆窂綋p耗可以通過(guò)公式（1）來(lái)計(jì)算

（1）

其中R表示發(fā)送端和接收端之間的距離，f表示載波頻率。從公式（1）可以看出頻率越高，對(duì)應(yīng)的路徑損耗越大。因此，相對(duì)于低頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，毫米波信道的路徑損耗更為嚴(yán)重。

1.2穿透性和LOS通信

在進(jìn)行毫米波系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要了解毫米波設(shè)備所處的傳輸環(huán)境。了解信號(hào)傳播周?chē)沫h(huán)境、葉子、人流等特征對(duì)確定毫米波在室內(nèi)室外傳播特性來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。了解不同環(huán)境下毫米波的衍射、穿透性、散射和反射為5G網(wǎng)絡(luò)部署奠定了基礎(chǔ)。Rappaport和其團(tuán)隊(duì)的研究表明有色玻璃、透明玻璃、混凝土墻、金屬電梯等對(duì)毫米波來(lái)說(shuō)具有較高的穿透阻力。再者，在室內(nèi)環(huán)境下干燥的墻壁、白板、網(wǎng)格玻璃對(duì)毫米波來(lái)說(shuō)也會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的多徑衰落和路徑損耗。因此，毫米波通信主要用于小小區(qū)的LOS傳輸環(huán)境下。

1.3多普勒效應(yīng)

載波頻率和移動(dòng)性能夠很好的表征多普勒效應(yīng)。當(dāng)接收到的信號(hào)具有不同的相位值對(duì)時(shí)就會(huì)形成多普勒效應(yīng)。但是多普勒效應(yīng)引起的時(shí)間選擇性衰落，可以通過(guò)在信道相關(guān)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)編碼來(lái)消除。因此多普勒效應(yīng)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的部署來(lái)說(shuō)并不會(huì)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。

2 Massive MIMO 系統(tǒng)

通過(guò)簡(jiǎn)單的線性處理技術(shù)可以為基站提供大量的天線。圖2-1是一個(gè)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)和波束賦形框圖，天線陣列可以為系統(tǒng)提供水平方向和垂直方向的波束。大規(guī)模天線有助于提高系統(tǒng)的能量效率和頻譜效率。在Massive MIMO系統(tǒng)中每個(gè)天線都可以實(shí)現(xiàn)一定程度的方向性傳輸。相干波的疊加是Massive MIMO技術(shù)的基本原理，通過(guò)調(diào)節(jié)天線陣列的相位使陣列形成特定方向上的波束。因此，對(duì)Massive MIMO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)空間復(fù)用技術(shù)可以有效的提高系統(tǒng)的容量。

在Massive MIMO系統(tǒng)中采用適當(dāng)?shù)挠脩粽{(diào)度算法對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常重要。再者對(duì)于Massive MIMO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)TDD可能是更好的選擇，因?yàn)樗苊饬嗽贔DD系統(tǒng)下的信道估計(jì)和信道共享等較為復(fù)雜的問(wèn)題。目前關(guān)于Massive MIMO系統(tǒng)陣列的分布問(wèn)題主要傾向于2D平面陣列，但是3D立體陣列以及分布式陣列架構(gòu)也有待于進(jìn)一步研究。毫米波的波長(zhǎng)較短，可以有效的降低天線陣列的尺寸，而大規(guī)模天線陣列能夠提供更強(qiáng)的天線增益，正好彌補(bǔ)了毫米波的路徑損耗，因此，通過(guò)兩者的結(jié)合可以達(dá)到更好的效果。目前，毫米波同Massive MIMO技術(shù)的結(jié)合是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)。

3波束賦形

智能天線對(duì)毫米波通信來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，同樣方向性波束對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)也非常重要，下面我們主要討論方向性波束的控制與形成。

對(duì)毫米波來(lái)算波束賦形算法非常重要，我們可以根據(jù)不同的陣列來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的波束賦形權(quán)重因子，從而來(lái)控制波束的形成和旋轉(zhuǎn)。波束賦形權(quán)重因子的調(diào)節(jié)可以在數(shù)字域或模擬域完成，或者在數(shù)字域和模擬域同時(shí)進(jìn)行。如圖3-1（a）、3-1（b）和3-1（c）分別對(duì)應(yīng)的是模擬波束賦形、數(shù)字波束賦形和混合波束賦形的系統(tǒng)框圖。

對(duì)于數(shù)字波束賦形來(lái)說(shuō)，數(shù)字波束賦形矩陣在發(fā)送端主要用于調(diào)節(jié)在進(jìn)行FFT變換之前的基帶信號(hào)；而在接收端主要用于調(diào)節(jié)在進(jìn)行FFT變換之后的基帶信號(hào)。而對(duì)模擬波束賦形來(lái)算，模擬波束賦形矩陣主要用于調(diào)節(jié)時(shí)間域的射頻信號(hào)。通常來(lái)說(shuō)數(shù)字波束賦形相對(duì)于模擬波束賦形來(lái)說(shuō)具有更好的性能，但是復(fù)雜度相對(duì)較高，而模擬波束賦形實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單，但是系統(tǒng)的性能方面相對(duì)于數(shù)字波束賦形來(lái)算會(huì)有一些損失。

而混合波束賦形通過(guò)數(shù)字域和模擬域的共同調(diào)節(jié)可以形成更細(xì)的波束，模擬域波束賦形主要通過(guò)模擬移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是對(duì)于大規(guī)模天線陣列來(lái)說(shuō)，每個(gè)天線對(duì)應(yīng)一個(gè)收發(fā)器在成本上是非常昂貴的，再者系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度也較高。同時(shí)也意味著要消耗更多的功率。

再者對(duì)于毫米波系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，射頻鏈路的組件的性能較差，功率放大器只能工作在最大功率的情況下工作。因此，在射頻域陣列的控制主要是通過(guò)移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，移相器的幅值通常是一個(gè)常數(shù)。這使得模擬波束賦形矩陣不是一個(gè)凸集，無(wú)法通過(guò)最優(yōu)化算法來(lái)獲得最佳的數(shù)字和模擬波束賦形矩陣。

通過(guò)上述分析可以看出，要想形成方向性的波束，波束賦形算法是至關(guān)重要的。目前對(duì)于Massive MIMO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要采用的是混合波束賦形技術(shù)。因此，混合波束賦形算法是目前進(jìn)行物理層設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] F. W. Vook， A. Ghosh， and T. A. Thomas， “MIMO and beamforming solutions for 5G technology，” in Proc. IEEE Microw. Symp. （IMS）， 2014，pp. 1–4.

[2] W. Roh et al.， “Millimeter-wave beamforming as an enabling technology for 5G cellular communications： Theoretical feasibility and prototype results，” IEEE Commun. Mag.， vol. 52， no. 2， pp. 106–113， Feb. 2014.

[3] E. Hossain， M. Rasti， H. Tabassum， and A. Abdelnasser， “Evolution toward 5G multi-tier cellular wireless networks： An interference management perspective，” IEEE Wireless Commun.， vol. 21， no. 3， pp. 118–127， Jun. 2014.