【波束成形】5G毫米波大规模MIMO-NOMA混合波束成形（3GPP TR 38.901信道模型）附Matlab代码-优快云博客

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🔥 内容介绍

随着 5G 通信技术的飞速发展，毫米波频段的应用与大规模多输入多输出（MIMO）、非正交多址接入（NOMA）技术的融合成为提升系统性能的关键途径。本文聚焦于 5G 毫米波大规模 MIMO-NOMA 混合波束成形技术，深入探讨基于 3GPP TR 38.901 信道模型下该技术的原理、优势、设计方法及面临的挑战。通过对相关理论和实践的分析，旨在为 5G 通信系统的进一步优化和发展提供理论支持与技术参考，推动 5G 通信技术向更高性能、更广泛应用的方向迈进。

关键词

5G 毫米波；大规模 MIMO；NOMA；混合波束成形；3GPP TR 38.901 信道模型

一、引言

1.1 研究背景与意义

在当今数字化时代，人们对高速、稳定、低延迟的通信需求呈爆发式增长。5G 通信技术应运而生，肩负着满足这一需求的重任。5G 通信要实现高速率、低时延和大容量的目标，面临诸多技术挑战，其中高效利用频谱资源和克服毫米波频段的传播损耗是关键问题。

毫米波频段拥有丰富的空闲频谱资源，为 5G 通信提供了更宽的带宽，有望实现更高的数据传输速率。然而，毫米波信号的波长极短，导致其在传播过程中面临严重的路径损耗、穿透能力弱以及易受环境干扰等问题。大规模 MIMO 技术通过在基站部署大量天线阵列，能够有效利用空间资源，提升系统的频谱效率和信道容量。它可以形成更窄、更集中的波束，实现更高的空间复用率，同时增强抗干扰能力和能量效率。NOMA 技术则允许在相同的时频资源上同时服务多个用户，通过功率分配和信号检测技术区分不同用户的信号，显著提高了系统的用户接入能力和频谱效率。

混合波束成形技术作为毫米波大规模 MIMO 系统中的核心技术之一，结合了模拟波束成形和数字波束成形的优势。在硬件实现上，它通过减少射频链的数量，降低了系统的复杂度和成本，同时在性能上尽可能接近全数字波束成形。而 3GPP TR 38.901 信道模型作为 5G 通信系统中广泛应用的信道模型，准确地描述了毫米波频段的信道特性，为混合波束成形技术的研究和优化提供了重要的基础。对 5G 毫米波大规模 MIMO-NOMA 混合波束成形（基于 3GPP TR 38.901 信道模型）的研究，有助于充分发挥各项技术的优势，克服毫米波通信的难题，提升 5G 通信系统的整体性能，满足日益增长的通信需求，具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2 国内外研究现状

在国外，众多科研机构和高校对 5G 毫米波大规模 MIMO-NOMA 混合波束成形技术展开了深入研究。例如，美国的一些研究团队在理论层面上，针对基于 3GPP TR 38.901 信道模型的混合波束成形算法进行了大量的优化工作。他们通过数学建模和仿真分析，不断探索如何在有限的射频链条件下，实现更高效的波束成形，以提高系统的频谱效率和能量效率。欧洲的研究人员则侧重于将该技术应用于实际场景的测试和验证，通过搭建实验平台，在不同的环境中对混合波束成形技术的性能进行评估，为技术的实际部署提供了宝贵的经验。

国内的研究也取得了显著进展。各大高校和科研院所积极投入到相关研究中。一些团队在混合波束成形的硬件实现方面取得了突破，通过研发新型的射频器件和电路结构，降低了系统的功耗和成本。同时，国内学者在结合 NOMA 技术的混合波束成形算法研究上也有创新成果，提出了多种适用于不同场景的联合优化算法，有效提高了系统的用户接入能力和公平性。然而，目前国内外的研究在如何进一步提高混合波束成形技术在复杂环境下的鲁棒性、降低信道估计的复杂度以及优化硬件实现的性能等方面仍有待深入探索。

二、相关技术原理

2.1 毫米波通信技术

毫米波是指波长在 1mm - 10mm 之间，频率介于 30 - 300GHz 的电磁波。相比传统的通信频段，毫米波频段具有以下特点：

带宽资源丰富：能够提供比现有 4G LTE 频段数十倍以上的带宽，根据奈奎斯特第一准则，通信速率与带宽成正比，因此毫米波频段为实现高速通信提供了可能。

波长短：短波长使得在相同物理尺寸内可以容纳更多的天线阵元，有利于大规模天线阵列的部署，为大规模 MIMO 技术的应用提供了硬件基础。

传输损耗大：毫米波信号在传播过程中，由于波长与分子尺寸相近，容易与空气中的水分子、氧气分子等发生相互作用，导致严重的路径损耗。同时，其穿透能力较弱，建筑物、植被等障碍物对毫米波信号的阻挡和衰减作用明显。此外，雨天、雾天等恶劣天气条件也会对毫米波信号的传输产生较大影响。

2.2 大规模 MIMO 技术

大规模 MIMO 技术在基站端配置大规模天线阵列，天线数量可达到数十甚至数百个。相比传统 MIMO 技术，大规模 MIMO 具有以下优势：

更高的空间复用率：大规模天线阵列能够形成更窄、更集中的波束，通过精确的波束成形技术，可以在同一时频资源上同时服务多个用户，显著提升系统容量。例如，在一个小区内，传统 MIMO 系统可能只能同时服务几个用户，而大规模 MIMO 系统可以同时服务数十个用户。

更强的抗干扰能力：密集的天线阵列可以更好地利用空间自由度，通过波束成形技术，能够有效抑制用户间的干扰，提高信号质量。在复杂的通信环境中，如城市高楼林立的区域，大规模 MIMO 技术可以通过调整波束方向，避开干扰源，保证通信的稳定性。

更高的能量效率：利用天线阵列的阵列增益，大规模 MIMO 可以在较低发射功率下达到相同的信号覆盖范围，从而降低发射功率，提高能量效率。这不仅有利于节能减排，还能减少对其他通信系统的干扰。

更高的信道鲁棒性：大规模 MIMO 能够更好地抵抗小尺度衰落，由于天线数量众多，即使部分信道受到衰落影响，其他信道仍能保持良好的通信质量，提供更稳定可靠的通信链路。

2.3 NOMA 技术

NOMA 技术打破了传统正交多址接入技术的限制，允许在相同的时频资源上同时传输多个用户的信号。其核心原理是通过功率分配和信号检测技术区分不同用户的信号。在发送端，根据用户的信道条件和业务需求，对不同用户的信号进行不同程度的功率分配。信道条件较好的用户分配较低的功率，信道条件较差的用户分配较高的功率。在接收端，采用连续干扰消除（SIC）技术，先解码功率较强的用户信号，然后从接收信号中减去该信号，再解码功率较弱的用户信号。通过这种方式，NOMA 技术能够显著提高系统的用户接入能力和频谱效率。例如，在一个小区内，传统正交多址接入技术可能只能支持有限数量的用户同时接入，而 NOMA 技术可以使更多的用户在相同的时频资源上实现通信。

2.4 混合波束成形技术

混合波束成形技术结合了模拟波束成形和数字波束成形的优势，旨在在降低系统复杂度和成本的同时，保持大规模 MIMO 的性能优势。其结构通常分为两级：

模拟波束成形（Analog Beamforming, ABF）：通过移相器网络或开关网络实现。模拟波束成形通常在基带数字信号处理之前进行，其主要功能是生成一组固定的波束，例如基于离散傅里叶变换（DFT）的波束成形。由于移相器网络成本较低且功耗较低，因此模拟波束成形能够有效地降低硬件成本。然而，模拟波束成形的灵活性较差，通常只能实现有限数量的波束成形方向。

数字波束成形（Digital Beamforming, DBF）：通过基带数字信号处理实现。数字波束成形具有很高的灵活性，可以根据信道信息动态调整波束成形权重，实现精确的波束成形。然而，数字波束成形需要大量的射频链，每个天线都需要独立的射频链，包括功率放大器、混频器、滤波器等，这导致硬件成本和功耗显著增加。

混合波束成形的目标是在给定的射频链数量的约束下，最大限度地利用空间自由度，实现接近全数字波束成形的性能。其设计关键在于如何有效地结合模拟波束成形和数字波束成形，使其能够协同工作，实现最佳的性能。