毫米波massive MIMO系统中混合预编码设计与优化

"毫米波massive MIMO系统中混合连接的混合预编码设计，赵宏宇，姚红艳，西南交通大学信息科学与技术学院" 在毫米波（mmWave）大规模多输入多输出（massive MIMO）系统中，混合预编码技术是提高频谱效率的关键。这种技术结合了模拟预编码和数字预编码的优势，旨在降低硬件成本并保持系统性能。混合连接结构是混合预编码的一种实现方式，它允许部分射频（RF）链路与天线阵列中的多个元素相连，从而在减少硬件复杂性的同时保持较高的系统效率。 文章首先介绍了连续干扰消除（SIC）的概念，SIC是一种先进的信号处理技术，用于逐级解码和消除多用户间的干扰，以提高系统的频谱效率。在理想条件下，通过应用SIC，可以推导出最优的混合预编码矩阵。 接着，利用梯度下降理论对这个最优混合预编码矩阵进行分解，将其拆分为数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵两部分。数字预编码在基带完成，可以实现复杂的信号处理，而模拟预编码则在射频阶段执行，通常受限于低分辨率和恒模约束。梯度下降法是一种优化方法，用于找到函数的局部最小值，这里被用来求解最优的数字和模拟预编码矩阵。 考虑到模拟预编码矩阵的恒模约束，即每个射频链路的输出幅度必须保持恒定，文章采用交替最小化方法来优化这两个矩阵。交替最小化是一种优化策略，通过交替更新两个或更多变量来寻找全局最优解，这种方法在这里用于在满足模拟预编码的恒模约束下最大化频谱效率。 提出的混合预编码设计算法具有显著的优点：相比部分连接和全连接的混合预编码，它在保持高能量效率的同时，减少了硬件复杂性和计算量。仿真结果验证了该算法能有效提升频谱效率，特别是在RF链路数超过数据流数的场景下，其优势更为明显。此外，由于该算法对分块不强求正交性，因此在实际应用中更具适应性。 总结来说，这项工作为mmWave massive MIMO系统提供了一种高效且实用的混合预编码方案，通过创新的预编码设计方法，实现了在保持良好系统性能的同时，降低了硬件成本和计算复杂度。该研究对于未来无线通信系统的设计，尤其是在毫米波频段的高容量和高速率需求方面，具有重要的理论和实践意义。