【波束】多用户宽带毫米波系统中最大化的混合波束成形Matlab实现

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🔥 内容介绍

一、引言：混合波束成形 —— 毫米波多用户通信的 “性能平衡关键”

毫米波（30-300GHz）凭借超大带宽资源，成为支撑 5G-A 及 6G“万兆速率、千亿连接” 愿景的核心频段。然而，毫米波信号在空间传播中面临严重的路径损耗，自由空间全向路径损耗与频率的平方成正比，且易受遮挡影响，人体遮挡即可导致 20-35dB 的信号衰减，单纯依靠功率提升难以满足通信需求。

大规模 MIMO 技术通过部署数百根天线形成指向性波束，可产生数十 dB 的阵列增益，如同 “龙舟划桨” 般汇聚信号能量，有效对抗路径损耗。但全数字波束成形需为每根天线配备独立的模数转换器（ADC），而 ADC 功耗与采样率呈线性关系、与采样比特数呈指数关系，在宽带毫米波系统中会导致硬件成本与功耗激增，难以工程实现。

混合波束成形技术通过 “模拟波束成形 + 数字波束成形” 的分层架构，在保证阵列增益的同时大幅降低硬件开销，成为毫米波系统的必然选择。尤其在多用户场景下，需同时应对宽带信号的频率选择性、多用户间的干扰耦合以及移动场景的波束对准难题，如何通过混合波束成形的联合优化实现系统容量、频谱效率与鲁棒性的最大化，已成为毫米波通信领域的核心研究课题。本文系统解析混合波束成形的架构原理，深入探讨多用户宽带场景下的性能最大化设计方法，为毫米波通信系统的工程实现提供技术参考。

二、多用户宽带毫米波系统的技术特征与核心挑战

混合波束成形的性能最大化设计，需建立在对毫米波系统固有特性与多用户宽带场景约束的深刻理解之上。

（一）系统核心技术特征

1. 双域资源特性：在空间域，毫米波信道具有稀疏性，信号主要通过少数几条路径传播，适合采用窄波束实现空间复用；在频率域，宽带信号（通常≥1GHz）面临显著的频率选择性衰落，不同子载波的信道特性差异明显。

1. 混合架构特性：模拟域通过移相器网络实现波束的粗略调控，受限于移相器精度（通常为 2-6 比特），仅能提供有限的波束指向选择；数字域通过基带滤波器实现精细的信号加权，可灵活处理多用户干扰与频率选择性。

1. 多用户交互特性：基站需同时为多个用户服务，不同用户的波束可能存在空间重叠，导致严重的多用户干扰（MUI）；用户移动会导致最佳波束指向动态变化，需通过波束管理机制实时跟踪。

（二）混合波束成形的性能最大化挑战

1. 架构权衡难题：模拟与数字波束的权重联合优化是典型的非凸问题，尤其在宽带场景下，需兼顾各子载波的信道差异，传统凸优化方法难以获得全局最优解，易陷入局部最优。

1. 多用户干扰抑制难题：窄波束虽能提升增益，但当用户空间分布密集时，波束间的旁瓣泄漏会导致强干扰；宽带信号的频率选择性会使单一波束权重在不同子载波上的干扰抑制效果差异显著。

1. 硬件约束适配难题：移相器的量化精度限制了模拟波束的调控精度，导致阵列增益损失；射频链路数量远少于天线数量，限制了空间复用的自由度，如何在硬件约束下最大化阵列增益成为关键。

1. 波束管理开销难题：多用户场景下的波束扫描与对准需消耗大量导频资源，宽带系统的导频开销随带宽增加而增大，过度的波束管理会挤占有效通信资源，降低系统吞吐量。

（三）传统方案的局限性

1. 纯模拟波束成形：仅通过移相器调整波束指向，无法处理多用户干扰与频率选择性衰落，系统容量受限于射频链路数量，难以支撑宽带多用户通信需求。

1. 分离式设计方案：先优化模拟波束再设计数字波束，忽略了两者间的耦合关系，易导致性能损失。例如，模拟波束选择仅考虑阵列增益而未兼顾干扰抑制，会使后续数字域干扰消除难度剧增。

1. 窄带等效设计方案：将窄带场景的波束成形方法直接推广至宽带场景，未考虑频率选择性衰落，在子载波信道差异较大时，会导致部分子载波通信质量严重下降。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

tic

%% Initialization parameters

Nt = 32; 

Ntrf = 16;

Nr = 8; 

Nrrf = 2; 

Ns = 2; 

K = 8; 

Nk = 64; 

Iter = 10;

numMC = 8; 

if_fc=1;

%% pathloss & power of noise

PON=-156+10*log10(100*1e6/Nk); %power of background noise  dbm 

pd=gen_lossmultiple(K);

lossmultiple=pd;

%% POT and channel

POT=0:2:20; % PowerOfTransmit (dBm)

h=zeros(Nr,Nt,K,Nk,numMC);

for ii = 1:K

    for kk = 1:numMC

        [h(:,:,ii,:,kk),~,~] = OMPHWB(Nt,Nr,Nk);

    end

    h(:,:,ii,:,:)=sqrt(lossmultiple(ii)).*h(:,:,ii,:,:); 

end

H = zeros(K*Nr,Nt,Nk,numMC);

for mc = 1:numMC

🔗 参考文献

[1]束锋,杨淑萍,许正文,等.毫米波无线通信系统混合波束成形综述[J].数据采集与处理, 2017, 32(3):9.DOI:10.16337/j.1004-9037.2017.03.003.

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