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专题
2021/9/18 16:27

Massive MIMO中的波束算法及方案研究

C114通信网  张宇策,张 果,陈佳丽

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摘要:研究了Massive MIMO中的预编码算法,对ZF、MMSE和SVD 3种线性预编码算法进行了公式推导和仿真对比,并对 5G中的上下行参考信号及其功能进行了简要介绍。随后对5G中的波束赋形方案进行了研究,包括5G下行参考信号工作原理及流程,并对单流、双流和多流 3 种波束赋形方案的性能进行了仿真分析。

关键词:5G;预编码;参考信号;波束赋形

doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2021.08.009

概述

2010 年贝尔实验室的 Thomas 首次提出了大规模天线阵列的观点:基站使用大规模天线阵列构成的通信系统理论上能够大幅度增加整个传输系统的容量,由此开创了对大规模 MIMO 技术的研究。2011 年Hoydis J等人研究了Massive MIMO系统中天线个数对系统性能的影响。2013 年 Rusek,Fredrik 等人对大规模阵列天线中互耦对信道容量的影响进行了研究,并提出了相应的发送和接收方案。Larsson E G从能效、频谱效率和可靠性等方面对Massive MIMO系统进行了分析,并指出 Massive MIMO 将是未来 5G 发展中的关键技术。Hoydis J 等人提出了随着发射端天线远大于基站服务的用户数,多个信道之间将会相互正交。在这种情况下无需增加蜂窝小区数量,终端也无需做出技术方面的改变,使用简单的线性预编码器就可以得到近似理想信道。

适用于大规模阵列天线系统的波束赋形技术是学者们近年来研究的主要内容。由于采用大规模有源天线系统(AAS),单个天线阵列中的振子数将达到128个以上,带来的天线互耦和用户间干扰(Multi-User Interference,MUI)相较于传统的 MIMO 系统将更加严重。预编码(Precoding)是MIMO系统中波束赋形的一种实现方式,其通过改变数据流的权重来调整发射信号的相位与幅度,波束之间由于干涉效应中心处相长叠加,边缘处相消而抵消,使波束可以指向特定位置。目前基于硬件计算水平考虑,线性预编码将是长期使用的技术。目前主流的线性预编码技术有迫零(ZF)预编码、考虑了一定噪声影响的最小均方误差(MMSE)预编码[7]和利用信道自由度的奇异值分解(SVD)预编码。非线性预编码由于在发射端采取了迭代与取模等非线性计算方式使计算复杂度较线性预编码更高,但也可以获得最接近于理想信道的信道容量,成为目前的研究热点。传统的非线性预编码技术有脏纸编码(Dirty Paper Coding,DPC)及其改进的THP(Tomlinson-Harashima Precoding)预编码。随着Massive MIMO 概念的提出,越来越多的学者开始注重于开发复杂度低且保留一定性能的非线性预编码,如Mohammed S K和 Larsson E G于 2013年设计了适用于大规模阵列天线的恒包络(Constant-Envelope,CE)预编码

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