宽带毫米波数模混合波束赋形宽带毫米波数模混合波束赋形
针对宽带多天线毫米波系统面临的频率选择性信道衰落和硬件实现约束，提出结合单载波频域均衡技术的数模
混合波束赋形算法。以均衡器输出信号的最小均方误差为准则，优化波束赋形矩阵和均衡器的系数。为降低求
解复杂度，应用迭代天线阵列训练技术将原始优化问题分解为在基站和用户端的本地优化问题，使需优化的系
数通过通信两端的交替迭代处理获得收敛。仿真表明：提出的新算法在误比特率为10-4 时较传统算法在信噪比
上具有约2 dB 的性能增益。
从无线移动通信发展的脉络来看，第1、2 代（1G、2G）先后分别从模拟和数字两种方式解决了人们之间的语音通信需求，第
3 代（3G）开始增加对数据业务的支持，第4 代（4G）系统着重满足人们日益增长的数据业务的需求，未来的第5 代移动通
信系统（5G）除了继续支持更高传输速率的用户数据业务需求，伴随物联网的飞速发展，还需要支持大量智能设备的接入和
连接，来支撑包括智能电网、智慧家庭、智慧城市、虚拟现实、远程教育、远程医疗等多元化的新型业务。预计到2020 年将
有超过500 亿台的智能设备联入无线网络，无线网络的数据容量将会是现在的1 000 倍[1-4]。为了满足到2020 年能达到1 000
倍的容量提升，目前比较公认的解决问题的3 个维度分别是[1-4]：采用更高通信频段以获得更大的通信带宽，增加频谱利用
率，划分高密度小区来进行频率复用。
宽带毫米波通信与这3 个维度都有着非常紧密的结合：首先毫米波频段定义在30~300 GHz 的范围，这一频段可以提供数百兆
赫兹乃至数吉赫兹的通信带宽，是解决容量的最直接路径；其次，从提高频谱利用率的角度来看，大规模天线被公认为是一种
有效的技术[1-6]，现有通信频段因为其波长在分米或厘米级，受尺寸和体积限制，很难形成大规模天线阵列，而毫米波的天然
属性决定了其与大规模天线结合的有效性；最后，传统上人们认为毫米波通信由于频率高而产生的路径损耗大、传输距离短的
弱点恰好成为高密度小区频率复用的优点[6]。目前商用的毫米波通信标准和系统大多限于60 GHz 免费频段的室内通信，例
如：IEEE 802.15.3c[7]和802.11ad 标准[8]。随着微电子技术的发展，以及人们对移动通信业务日益增加的迫切需求，毫米波
通信已经成为了应用于半径200 m 区域内的室外无线移动通信的非常重要的候选技术之一[1-4]。
然而，毫米波频段信号的传播特性为系统设计也带来了新的问题与挑战，在相同天线增益的条件下，毫米波相对于6 GHz 以
下微波频段路径损耗大，透射绕射能力差[3-6]。为应对这一问题，毫米波系统通常需要在收发端配置十几乃至上百根天线组成
阵列获得高方向性的增益，来弥补其在传输上的能量损耗。因此，具备自适应波束赋形（BF）的多天线设计是保证毫米波微
小区覆盖的首要必备技术[3-6]。
相比现有6 GHz 以下频段的移动通信系统，宽带毫米波系统在BF 设计上具有3 个方面的不同与挑战：首先，系统多天线传输
的实现方式会受到硬件成本和功率开销的限制。与现有移动通信系统相比，毫米波系统数百兆赫兹乃至数吉赫兹的通信带宽大
大增加了硬件成本和功耗。以模数转换器（A/D）为例，基于最新互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺制作的具有12 bits 精
度、100 Ms/s 采样率，并且支持16 路天线的A/D 的功耗大于250 mW[5]。在这些约束下，不可能为每根天线都配置一套射频
（RF）链路，因此，实际毫米波多天线技术很难采用全数字实现方案[9]。其次，毫米波系统中天线阵列规模很大，天线数目
达到十几甚至上百，大规模天线的使用虽然增加了系统设计的自由度，但是也使得BF 矩阵优化问题变得更加复杂。最后，相
比6 GHz 以下频段的移动通信系统，毫米波信道在延时和角度域上都具有稀疏性，这一特性为降低BF 设计的复杂度提供了一
条有效途径，但同时也为问题的求解带来了新的挑战[9]。基于上述3点，研究者提出了将模拟电路与数字电路相结合的基于数
模混合信号处理的混合BF（HBF）方式。HBF 也逐渐引起了学术界和工业界的广泛关注，逐步成为毫米波通信的一项关键技
术。
1、毫米波HBF研究现状
图1 以基站到用户的毫米波下行链路为例展示了单用户多个数据流传输的HBF 示意[9-11]。
图1、毫米波数模混合波束赋形示意
图1 中用红色标记的矩阵FBB和FRF分别为基站端数字和模拟BF 矩阵，用蓝色标记的矩阵WBB和WRF分别为用户端数字和模
拟BF 矩阵。
相比现有6 GHz 以下频段无线通信系统通常采纳的全数字BF 结构，毫米波系统中HBF 有以下几个不同点和难点：随着天线数
目的增大，HBF 矩阵规模增大，优化难度和计算复杂度增加；HBF 的优化，特别是对模拟信号的处理，需要考虑模拟电路的
实现方式和模拟器件的特性，如相移器[9-11]、选通开关[12]、相移器与放大器相结合[13]等；HBF 的结构给信道估计带来了
新的挑战，这是因为在数字域上能估计出的信道是实际空口信道与模拟BF 矩阵的级联。毫米波传输在延时和角度域的双重稀
疏性也为信道估计和HBF 矩阵求解带来了新的挑战。在宽带系统中，不同于数字BF，模拟BF 因为是对数模转换器（D/A）
评论0