26、5G及未来的大规模MIMO技术解析

5G及未来的大规模MIMO技术解析

1. 大规模MIMO系统的模拟波束赋形

在大规模MIMO系统中，模拟波束赋形架构具有重要意义。引理表明，当满足特定条件时，信道H的右奇异向量和弦距离会收敛到一个阵列响应向量，左奇异向量也有类似的收敛情况，奇异值则收敛到特定的值。这意味着对于大规模MIMO系统，当发射天线数Nt和接收天线数Nr很大时，最优SVD波束赋形向量可以用封闭形式表示，并且等于最强方向上的阵列响应向量。具体来说，我们可以将f和w设置为阵列响应向量，这样波束赋形器就会指向最强方向，有望实现接近最优的SNR性能。

2. 混合预编码技术

数字预编码和模拟波束赋形在大规模MIMO系统中都面临挑战，因此混合模拟和数字预编码技术被提出。它将最优数字预编码器分解为两部分：低维数字预编码器用于消除干扰，高维模拟波束赋形器用于捕获天线阵列增益。下面分别介绍单用户和多用户系统的典型混合预编码方案。

2.1 单用户混合预编码

考虑一个单用户大规模MIMO系统，基站配备Nt根天线，为配备Nr根天线的用户设备提供Ns个数据流。基站使用NRF条射频链，且Ns ≤ NRF ≤ Nt。基站通过射频链利用数字预编码器D，通过模拟组件（如移相器）利用模拟波束赋形器A。接收信号y可以表示为：
[y = \sqrt{\rho}HAD + n]
其中，s是发射信号，H是信道矩阵，ρ是平均接收功率，n是加性高斯白噪声向量。

设计混合预编码的目标是最大化可达速率R，其优化问题可以表示为：
[(A_{opt}, D_{opt}) = \arg \max_{A,D} R (A, D), \text{ s.t., } A \in