對毫米波通信中混合波束賦形技術(shù)的分析

摘 要：隨著科學技術(shù)的發(fā)展，5G時代即將到來，而毫米波通信在5G通信技術(shù)的應(yīng)用和推廣中發(fā)揮著舉足輕重的作用。本文首先分析了毫米波通信的模型，并且探討了混合波束賦形技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，希望能夠為相關(guān)的工作提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：毫米波通信;混合波束賦形;迭代

引言：毫米波通信的優(yōu)點是能夠顯著提高5G移動通信的質(zhì)量，但是由于自身的路徑損耗比較大，而且穿透性能不佳，在具體的應(yīng)用過程中受到了不小的掣肘，而應(yīng)用混合波束賦形技術(shù)，可以有效避免信號的衰減，同時降低運行成本，可以說意義非凡。

1.毫米波通信模型

1.1單用戶系統(tǒng)

顧名思義，單用戶毫米波通信系統(tǒng)指的是，有且只有一個基站利用毫米波信道傳輸數(shù)據(jù)。前提條件是，這一基站配有Nt天線，同時用戶配有Nr天線，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以包含Ns個數(shù)據(jù)流。這種情況下，從基站端考慮，總的射頻鏈路為Ntc條，而用戶端的射頻鏈路為Nrc條，那么為了保證這兩端的射頻鏈路正常運行，需要滿足以下條件：Ns

1.2多用戶系統(tǒng)

多用戶系統(tǒng)的模型中包含N根天線，并且與K個單天線的用戶進行信號的傳遞，而基站端包含M個射頻鏈路，鏈路的數(shù)量大于用戶的數(shù)量，這種情況下，用戶端受到的信號向量y=ρ HFWS+n，其中ρ代表信號的發(fā)送功率，s表示符號向量，W代表可以調(diào)節(jié)相位和幅度的波束賦形矩陣，n表示K×1高斯噪聲向量。這里需要注意的是，當基站端發(fā)出信號以后，需要達到功率約束的條件，所以模擬波束賦形矩陣與數(shù)字波束賦形矩陣的關(guān)系應(yīng)該滿足||FW||F2=K，其中F表示模擬波束賦形矩陣，而W表示數(shù)字波束賦形矩陣。在這種情況下，第k個用戶收到的信號可以表示為yk=ρ hkFWS+nk，其中hk代表矩陣的第k行向量，而nk表示噪聲向量的第k個元素[1]。

2.混合波束賦形技術(shù)

2.1優(yōu)化模型

當基站端的信道信息不再發(fā)生變化時，可以將系統(tǒng)的頻譜效率最大化，并設(shè)計混合波束賦形矩陣，而只有降低各個用戶之間的干擾，才能提高信號的功率，比如MRC算法，就可以滿足大規(guī)模MIMO用戶的頻譜使用效率，但是在實際應(yīng)用中，因為結(jié)構(gòu)存在恒幅限制條件，所以MRC算法不能直接應(yīng)用，而另一種典型的算法ZF，可以采用加權(quán)矩陣的方法，從而有效降低干擾產(chǎn)生的影響。另外當基站中的天線數(shù)量多于用戶數(shù)量時，可以將ZF檢測矩陣視為最優(yōu)檢測矩陣。

2.2數(shù)字設(shè)計

這里需要介紹一下最小二乘法，最小二乘法屬于貪婪算法的一種，并且性能優(yōu)良，通過這一算法，能夠得到數(shù)字波束賦形矩陣：W=（FHF）-1FHP。最小二乘法主要根據(jù)等效信道的思想，利用低維數(shù)字處理技術(shù)確定最優(yōu)矩陣，并且根據(jù)模擬矩陣F與信道矩陣H對基站端的等效信道矩陣進行計算：Hcfff=FHF，同時根據(jù)ZF準則，可以確定數(shù)字矩陣W=Hcfff（HcfffHHcfff）-1。

2.3計算流程

一般而言，混合波束賦形技術(shù)需要考慮用戶之間的干擾問題，進而導致在實際應(yīng)用中技術(shù)的性能受到影響，所以需要采用MRC算法對矩陣進行檢測，同時與消除算法相結(jié)合，化解出低復雜度的矩陣初始化方法。通俗來講，就是用戶之間逐層采用正交消除的算法，從而確定全新的信道矩陣H（h1，h2，h3，h4，…，hk）。當模擬波束賦形矩陣進行初始化時，需要參考恒幅約束條件，并且根據(jù)混合波束賦形的算法，通過少量的迭代，就能夠得到相對完整和規(guī)范的賦形矩陣。這種情況下，涉及的計算量很少，而且算法的內(nèi)容相對比較簡單，同時還可以利用系統(tǒng)自帶的射頻鏈路，提高頻譜效率。值得一提的是，當模擬波束賦形矩陣達到最優(yōu)狀態(tài)之后，可以使用貪婪算法求解出矩陣的特征向量，這樣可以判斷算法是否受到恒幅的影響，即使無法確定信道的具體增益和角度信息，也能夠擺脫天線結(jié)構(gòu)的約束，完成求解工作[2]。

2.4性能分析

本文采用IEEE802.15.3c為標準的仿真系統(tǒng)，假設(shè)天線位于長×寬×高=8×6×4的房間內(nèi)，波束總數(shù)目為K=24，而功率為12mW，噪聲功率譜的密度為-16.4dBm/Hz，帶寬為1.9GHz，之后展開仿真實驗，并且發(fā)現(xiàn)隨著迭代次數(shù)的增加，變異系數(shù)開始縮小，這表明離散程度有所下降，所以混合波束賦形技術(shù)可以抑制干擾信號，提升整個毫米波通信的質(zhì)量。

結(jié)論：綜上所述，混合波束賦形技術(shù)在毫米波通信中得到了很好的應(yīng)用，有效解決了傳統(tǒng)技術(shù)中計算量大和計算內(nèi)容復雜的問題，同時降低了各個用戶之間的干擾，所以本文希望通過介紹混合波束賦形的相關(guān)技術(shù)，從而提升實際應(yīng)用水平。

參考文獻：

[1]王龍飛. 毫米波通信系統(tǒng)中3D波束賦形與多播技術(shù)研究[D].北京郵電大學，2017.

[2]張博.毫米波通信中混合波束賦形技術(shù)探討[J].信息與電腦（理論版），2019（01）：200-202.

作者簡介：

盧科臣（1996年2月4日），男，漢族，籍貫：四川達州，研究方向：電子類或通信類。