毫米波大规模MIMO系统中的模拟波束成形设计文献综述

文献综述（或调研报告）：

摘要：在毫米波通信中，大规模天线阵列通过控制形成较窄的波束从而达到更高的功率增益，带来的问题便是如何更有效的在发射端和接收端的角域里找到最佳的波束方向。由于遍历搜索耗时长，分层搜索已经被广泛采用来减少复杂度，其性能主要取决于码本的设计方式。如何设计性能更好的码本和更加高效的搜索算法是目前混合预编码研究的重点。

关键词：毫米波；分层码本；MIMO；混合预编码

简介：

毫米波通信由于其大量的频谱资源是下一代无线通信很有前途的一种技术，其相比于已有的无线局域网和现在的蜂窝移动通信有更大的容量。事实上，毫米波通信作为下一代无线局域网[1]和移动蜂窝通信[2]的重要候选技术已经引起了越来越多的关注。由于30-60GHz超高的载频，毫米波通信最基本的挑战就是非常巨大的路径损失。为了弥补路径损失，发射端和接收端的波束成型通常需要较高的天线增益，这就需要接收端和发射端有较大的天线阵列规模。由于受硬件限制像传统数字基带预编码一样是不可行的，这就需要将数字与模拟预编码相结合，从而快速准确的对信道进行估计。

正文：

毫米波通信是下一代无线通信的重要技术，由于其拥有大量的频谱资源，确保了其比目前的通信系统有更大的信息容量。事实上，毫米波通信作为下一代无线本地网络和移动蜂窝通信的一项非常重要的可选技术，已经引起了越来越多的关注。通常情况下，由于毫米波通信载波频率很高，面临传播损耗也非常高的问题。因此，毫米波设备通常需要大规模的天线阵列来弥补路径传播的损耗。幸运的是，由于毫米波的波长很短，大规模的天线阵列也可能被做在很小的范围里。混合信号部分巨大的功率消耗让数字基带预编码变得不可能[3]。此外，预编码矩阵的设计通常是基于完整的信道状态信息的，由于天线数目的庞大和波束成型之前较低的信噪比，信道状态信息很难在毫米波通信中获得。因为和传统的毫米波频段多输入多输出（MIMO）系统相比较有额外的硬件限制，新的信道估计和预编码算法必须由新的发展。

为了克服射频硬件的限制，提出了模拟波束成型的方法[4]。主要的思想是通过一个移相器网络来控制每个天线上传输信号的相位[5]。对于模拟预编码结构，通常有两种方法。在[6]中，采用了一种迭代的波束成型训练方法，其中波束成型矢量在一端（发射端或者接收端）通过适应另一端的波束成型矢量选择优化，这种迭代的方式交替重复进行来改善波束成型的增益。此外，在[7],[8]中，采用了一种转换的波束成型方法，其中波束搜索的空间（分别在发射端和接收端）用包含了多个码字的码本来表示，通过搜索发射端和接收端各自的码本找到各自最佳的码字。两种方法在不同的应用下各有优势。尽管这种模拟波束成形的方法减少了搜索的复杂度，通常有个缺点即只能像一个方向发射通信波束，这就导致了这些方法除了阵列增益无法获得复用增益。为了获得复用增益，提出了一种模拟/数字混合使用的预编码架构[9]，这种方法让数量较小的射频链路连接大规模的天线阵列。这种结构能并行传输，因此具备了接近数字预编码所达到的信息容量的可能性。然而，设计的混合预编码和信道估计方法需要较低的复杂度这对于大规模天线阵列来说是个挑战。实际上，混合预编码可能需要进行天线数量规模的矩阵运算，这对于毫米波通信来说运算量是十分巨大的。除此之外，接收端与发射端庞大的天线数量也会使信道估计消耗大量的时间。

对于混合预编码结构，由于毫米波信道在角域里通常是稀疏的，不同的基于信道估计方法的压缩感知算法被提出来估计多径分量的角度[10]，[11]是点对点多数据流传输，[12]是多用户传输，[13]是基于用虚拟元素表示天线的方法。

在一些文献中，重点关注的是单数据流传输的码本波束成型技术[8]。这样的动机是单数据流波束成型可以在非常低的信噪比情况下最大限度的获得。此外，单数据流波束成型可以被发展到更加复杂的混合预编码情况下。对于码本的波束成型技术，可以使用遍历搜索算法，其顺序测试角域里所有的波束方向并且找到发射端/接收端最佳的波束成型码字对。然而，全部搜索的时间开销是非常大的，因为在毫米波通信中候选波束方向的数量往往很大。为了提高搜索效率，[14]定义了一种分层码本。例如，粗糙的码本能够通过少量的粗糙/低分辨率的波束覆盖预期的角度范围，同时一个精致的码本可以通过大量的纤细的/高分辨率的波束覆盖同样预期的角度范围。分层码本首先找到低分辨率码本中的最佳矢量（宽波束），然后在其中寻找高分辨率码本的最佳波束。