下一代无线网络物理层设计问题浅析

伍爽　韩哲鑫

摘 要 將5G架构与现有无线系统相结合需要一种新颖的方法或技术来使过程更为顺利。因此，为了更好的使5G架构与现有无线系统更好的融合，我们需要对物理层技术有更好的了解，通过对物理层技术的组合与协作来降低开销，从而获得最优性能。 因此对现有和未来可能使用的物理层技术的研究至关重要。本文主要对毫米波信道、波束赋形、大规模MIMO技术进行讨论。

中图分类号：TP393.08 文献标识码：A

1毫米波信道

毫米波频段的使用给移动无线通信带来了许多新的挑战。主要体现在现有的信道模型已经不适用于毫米波频段了。毫米波信道区别与现有信道主要体现在一下几个方面：

1.1路径损耗

毫米波在自由空间传输的路径损耗可以通过公式（1）来计算

（1）

其中R表示发送端和接收端之间的距离，f表示载波频率。从公式（1）可以看出频率越高，对应的路径损耗越大。因此，相对于低频信号来说，毫米波信道的路径损耗更为严重。

1.2穿透性和LOS通信

在进行毫米波系统设计时，我们需要了解毫米波设备所处的传输环境。了解信号传播周围的环境、叶子、人流等特征对确定毫米波在室内室外传播特性来说至关重要。了解不同环境下毫米波的衍射、穿透性、散射和反射为5G网络部署奠定了基础。Rappaport和其团队的研究表明有色玻璃、透明玻璃、混凝土墙、金属电梯等对毫米波来说具有较高的穿透阻力。再者，在室内环境下干燥的墙壁、白板、网格玻璃对毫米波来说也会带来严重的多径衰落和路径损耗。因此，毫米波通信主要用于小小区的LOS传输环境下。

1.3多普勒效应

载波频率和移动性能够很好的表征多普勒效应。当接收到的信号具有不同的相位值对时就会形成多普勒效应。但是多普勒效应引起的时间选择性衰落，可以通过在信道相关时间内进行适当编码来消除。因此多普勒效应对5G网络的部署来说并不会带来很大的挑战。

2 Massive MIMO 系统

通过简单的线性处理技术可以为基站提供大量的天线。图2-1是一个大规模MIMO系统和波束赋形框图，天线阵列可以为系统提供水平方向和垂直方向的波束。大规模天线有助于提高系统的能量效率和频谱效率。在Massive MIMO系统中每个天线都可以实现一定程度的方向性传输。相干波的叠加是Massive MIMO技术的基本原理，通过调节天线阵列的相位使阵列形成特定方向上的波束。因此，对Massive MIMO系统来说空间复用技术可以有效的提高系统的容量。

在Massive MIMO系统中采用适当的用户调度算法对系统来说非常重要。再者对于Massive MIMO系统来说TDD可能是更好的选择，因为它避免了在FDD系统下的信道估计和信道共享等较为复杂的问题。目前关于Massive MIMO系统阵列的分布问题主要倾向于2D平面阵列，但是3D立体阵列以及分布式阵列架构也有待于进一步研究。毫米波的波长较短，可以有效的降低天线阵列的尺寸，而大规模天线阵列能够提供更强的天线增益，正好弥补了毫米波的路径损耗，因此，通过两者的结合可以达到更好的效果。目前，毫米波同Massive MIMO技术的结合是无线网络物理层设计的研究热点。

3波束赋形

智能天线对毫米波通信来说至关重要，同样方向性波束对5G网络来说也非常重要，下面我们主要讨论方向性波束的控制与形成。

对毫米波来算波束赋形算法非常重要，我们可以根据不同的阵列来设计相应的波束赋形权重因子，从而来控制波束的形成和旋转。波束赋形权重因子的调节可以在数字域或模拟域完成，或者在数字域和模拟域同时进行。如图3-1（a）、3-1（b）和3-1（c）分别对应的是模拟波束赋形、数字波束赋形和混合波束赋形的系统框图。

对于数字波束赋形来说，数字波束赋形矩阵在发送端主要用于调节在进行FFT变换之前的基带信号；而在接收端主要用于调节在进行FFT变换之后的基带信号。而对模拟波束赋形来算，模拟波束赋形矩阵主要用于调节时间域的射频信号。通常来说数字波束赋形相对于模拟波束赋形来说具有更好的性能，但是复杂度相对较高，而模拟波束赋形实现起来较为简单，但是系统的性能方面相对于数字波束赋形来算会有一些损失。

而混合波束赋形通过数字域和模拟域的共同调节可以形成更细的波束，模拟域波束赋形主要通过模拟移相器来实现。但是对于大规模天线阵列来说，每个天线对应一个收发器在成本上是非常昂贵的，再者系统实现的复杂度也较高。同时也意味着要消耗更多的功率。

再者对于毫米波系统来说，射频链路的组件的性能较差，功率放大器只能工作在最大功率的情况下工作。因此，在射频域阵列的控制主要是通过移相器来实现的，移相器的幅值通常是一个常数。这使得模拟波束赋形矩阵不是一个凸集，无法通过最优化算法来获得最佳的数字和模拟波束赋形矩阵。

通过上述分析可以看出，要想形成方向性的波束，波束赋形算法是至关重要的。目前对于Massive MIMO系统来说，主要采用的是混合波束赋形技术。因此，混合波束赋形算法是目前进行物理层设计的研究重点。

参考文献

[1] F. W. Vook， A. Ghosh， and T. A. Thomas， “MIMO and beamforming solutions for 5G technology，” in Proc. IEEE Microw. Symp. （IMS）， 2014，pp. 1–4.

[2] W. Roh et al.， “Millimeter-wave beamforming as an enabling technology for 5G cellular communications： Theoretical feasibility and prototype results，” IEEE Commun. Mag.， vol. 52， no. 2， pp. 106–113， Feb. 2014.

[3] E. Hossain， M. Rasti， H. Tabassum， and A. Abdelnasser， “Evolution toward 5G multi-tier cellular wireless networks： An interference management perspective，” IEEE Wireless Commun.， vol. 21， no. 3， pp. 118–127， Jun. 2014.