王志兵 李杏清 魏海红

（1.东莞职业技术学院；2.广东创新科技职业学院）

本文针对角度分辨率，功率损耗和空间使用等问题，完成采用双差频信号的三维立体的毫米波Massive MIMO阵列设计，并通过编程完成实验仿真，实验结果表面，该阵列设计在低系统成本的情况下提高了角度分辨率，减少天线在设备中所占据的空间，有效地提升系统整体性能，减少功率损耗。

与前几代移动通信技术相比，5G面临极大挑战：用户体验速率扩大10～100倍、更高的频谱利用率、毫秒级的端到端时延、大规模连接数扩大10～100倍。大规模天线技术（Massive MIMO）引起了学者的广泛关注。相比于传统的MIMO，Massive MIMO有以下优点：（1）极大地提升空间分辨率，在没有基站分裂的条件下实现深度挖掘空间资源。（2）极大地减少干扰，实现信号的可靠高速传输。（3）在不同的维度情况下该技术有利于频谱效率的提高和能量的利用。现有的5G设备其工作频段范围大概在几百兆赫兹到几个G赫兹，这样有利于提高通信的各项性能，但是，这个范围的微波频段非常紧俏，几乎被分配完了，想要在这个频道范围内提升系统的容量或者是提高频谱利用率几乎是不可能的，所以研究人员有了其它想法，能不能拓展出新的频段，实验表明，3G赫兹以上的毫米波频段因具有丰富的频谱资源而被视为潜在的可开发利用波段。然而，单纯的毫米波频段系统自身带有路径损耗大的特点，不适合远距离传输。将毫米波技术同Massive MIMO技术结合，Massive MIMO技术可以弥补毫米波技术缺陷，毫米波技术因为其波长短而更适合大规模天线阵列的部署，这使得毫米波Massive MIMO技术具有较低复杂度和较好性能的优点而成为研究5G技术的热点之一。

1 多用户混合波速赋形技术预编码算法设计

多用户系统由于不同用户所在的地理位置不同，不同系统难于协调工作，为了提高工作效率，我们在采用以下方法来处理，不同系统使用独立的接收器来接受信号，这个时候，为了提升每个用户的数据速率，为了尽可能的消除多用户间的干扰，基站需要对发射信号进行预编码处理。

通常，基站是通过信道状态信息对发送数据进行预编码处理，当用户终端配置多根天线时，多用户系统性能可以得到显著的提升，既可以有效消除用户间的干扰，提升系统容量，还可以降低成本，使用简单的，低功耗的接收机，具体表现为误比特率的改善和数据速率的提升。因此，本课题在单用户混合波束赋形技术研究的前提下，继续开展多用户波束赋形技术的研究，多用户混合波束赋形技术系统框图如图1所示。

图1 多用户波束赋形技术系统框图

多用户混合波束赋形技术预编码分为对单载波预编码和对多载波预编码两种情况，对于单载波多用户系统，由于全局最优解不容易求出，所以，我们采用划分优化的方法，先处理模拟局部优化解，再处理数字局部优化解，其中，模拟部分求出其等效信道增益的局部最优解，数字部分先消除各用户之间的干扰，然后求出其对应的局部最优解，最后，把模拟部分的局部最优解和数字部分的局部最优解合在一起，得出全局最优解。

对于多载波多用户，由于各种条件的限制，以前的学者大多采用其中一种反馈信息来作为对应的调制，但是，这样很难估算出准确的信道矩阵，针对这个问题，我们研究了毫米波无线通信系统中的信号与干扰问题，也就是对应的噪声比。为了得到更高的信噪比，我们对传统的优化编码算法进行了改进，提出一种基于遗传算法的分级权重算法，从而避免了模拟、数字预编码矩阵之间权重不统一，需要反复的迭代求解的问题，在改进的算法中，首先基于遗传算法得到模拟预编码和数字预编码的次优解，之后通过分级权重得到模拟预编码和数字预编码的最优解。

2 毫米波Massive MIMO阵列设计

设计毫米波Massive MIMO阵列，实现高增益、大带宽、波瓣宽度、波束扫描等方面的指标，其中，射频指标满足3GPP指标要求，系统有效带宽不小于400 M。

本文在设计大规模天线阵列的时候，采用调频模式，先获得发射信号和接收信号的差频信号，然后对大规模天线阵列的差频信号进行变换处理，确定其二维角度的虚拟阵列，通过虚拟阵列求得其相对应的角度，速度和距离等值，这样不仅可以提高角度分辨率，还可以降低系统成本，假设天线阵列中发射天线和接收天线相距λ /2，而接受天线之间相距λ，其中，λ为波长，这样一来，发射天线位于天线阵列的两段，而接受天线相互正交，Massive MIMO天线结构如图2所示。

图2 二维Massive MIMO阵列

但是一个差频信号角度分辨率不够，得到的距离太单一；同时，考虑到毫米波段的波长较短，本身体积就比传统的MIMO阵列得以进一步缩小，所以为了在5G通信中得到更高的增益、更高的带宽和更高的分辨率，本课题设计一种改进的毫米波Massive MIMO阵列，该改进的天线阵列相比上述传统的二维天线阵列，有三个主要区别，第一是采用了双差频信号，进一步提高了天线矩阵的分辨率和速度；第二是阵列设计不再是二维正交维度，而是采用了三维正交维度，接收阵列位于三个正交维度，发射天线分布在三维空间，大大提升了天线的布置数目，在相同视频资源内服务更多用户，可以有效地提升系统整体性能，减少功率损耗；第三，为了进一步减少天线在设备中所占据的空间，设定该天线阵列的接收天线和接收天线相距λ，发射天线和接收天线相距λ /4，这样，不仅可以尽量缩减天线体积，又可以保证天线的方向性能满足需求。改进的毫米波Massive MIMO天线阵列如图3所示。

图3 改进的毫米波Massive MIMO阵列

结束语：混合波束赋形技术要求，天线阵列中的每根天线都只连接一根链路。使用混合波束赋形技术的系统，基站的预编码处理先进行模拟预编码，然后进行数字预编码，分别使用了模拟基带模块和数字基带模块，两者的结合不再使用加法器，这在一定程度上降低了系统的成本，提高了利用率。本文采用双差频信号的三维立体的毫米波Massive MIMO阵列设计方案，研究在低系统成本的情况下提高角度分辨率，减少天线在设备中所占据的空间，有效地提升系统整体性能，减少功率损耗。