毫米波大规模多用户MIMO的混合预编码研究

在毫米波大规模多输入多输出(MIMO)系统中，为了减小全数字预编码时硬件安装复杂度及安装费用，以及克服毫米波传输衰减大的问题，本文探讨一种线性混合预编码方法。首先分析了一个可渐近最优的线性模拟预编码方案，该方案可通过迭代处理就能实现。在此迭代模拟预编码基础上，本文进而在数字预编码方面考虑块对角化(BD)和最大比传输(MRT)两种线性方案，并在不同的参数下对MRT与BD进行仿真对比。仿真结果表明，在低信噪比和用户数少时，MRT性能优于BD，而在其它情况下，BD性能优于MRT。

为了满足下一代移动蜂窝系统中巨大的系统容量需求，大规模MIMO 与毫米波频段结合是一项非常有前景的研究方向[1]。毫米波处于30~300 GHz 的频段，它可以用于户外点对点回程链路和室内高速率无线应用场景。事实上，毫米波技术在短距离服务已经被标准化，例如IEEE 802.11ad，但是这一频段在蜂窝系统中没有很好地被应用，因为它具有高的路径损耗以及容易被雨水空气吸收的缺点。毫米波可以很好地被利用在短距离传输上，故被认为是面向5G 移动通信最具发展潜力的技术之一[2]。而大规模MIMO 是指在基站端配置数十根甚至数百根以上天线的MIMO 系统。

由于毫米波波长较短因此容易实现大规模天线阵列的分布。尽管如此，关于毫米波大规模MIMO 研究目前仍有很多重要性问题需要人们开展研究。

在传统MIMO 系统中RF 链路数等于天线数，但是随着天线数的无限增加，这种传统系统架构会增加链路开销及复杂度，因此在大规模MIMO 系统中人们考虑引进混合预编码。混合预编码由基带预编码与模拟预编码混合而成， 特别它是由一个低维的数字预编码器与一个高维的模拟预编码器通过少量的RF链路并联而形成。其中基带预编码可以消除用户之间的干扰，模拟预编码可以增加阵列增益来对抗由毫米波带来的路径损耗问题。因此，混合预编码不仅可以减小安装成本和能量消耗，同时可以实现良好的系统性能。鉴于此，本文将对混合预编码进行探讨。

在各类大规模多用户MIMO 系统基带预编码中，简单的线性预编码方案例如迫零(ZF)、最大比传输(MRT)可以在天线趋于无穷大时达到信道容量[3] [4]。ZF 预编码通过信道取逆消除用户之间的干扰，但是只适用于单天线用户的情况。在用户具有多天线的情况下，可以引进块对角化(BD)，从而在信道取逆的过程中可将源自同一信号的天线间的干扰和其它用户的干扰消除或减轻[5] [6] [7]。

MRT 预编码在基站端已知信道信息状态(CSI)时不需要复杂的处理计算过程，直观来看，即信噪比高的支路上会有更大的权重。为此，在基带预编码方面，本文将特别关注BD 和MRT 这两个线性预编码方法。

在采用大规模天线阵列情况下，毫米波通信信道中的不同路径具有近似正交的特性。利用这一特性