28、5G及未来的波束赋形与波束管理

5G及未来的波束赋形与波束管理

1. 数字波束赋形

数字波束赋形中，每个天线都连接到一个射频（RF）链，这赋予了极大的灵活性和能力，能让每个天线获得不同的功率和相位，从而实现更好的空间复用，但代价是高复杂度和高功耗。这种结构使发射机能够利用数字预编码技术同时生成多个波束，并在给定时间将波束指向无限方向，从而可以同时为多个用户服务。

数字波束赋形的预编码算法主要基于以下三种：
- 迫零（ZF）算法 ：也称为干扰消除算法。在时域中，它可以消除干扰信号；从频域角度看，它是信道频率响应的逆表示。在无噪声信道中，ZF算法能理想地消除所有干扰。但当信噪比（SNR）较低时，ZF算法会根据频率点的信道幅度放大噪声。为解决这个问题，提出了基于模运算的ZF算法。
- 最大比传输（MRT）算法 ：该算法假设对发射天线元件的信号进行加权，以使接收端信号总和的SNR最大化。SNR值由公式$SNR = (a^2/ff^H)(P_{signal}/P_{noise})$给出，其中$a = |f^H|$是归一化因子，$f$是波束赋形向量，假设每个波束赋形元素的幅度为1（$|f_q| = 1$）。对于$L$个接收天线阵列元素，SNR可近似为$SNR = (a^2/L)(P_{signal}/P_{noise})$。最大化$a$可得到最大的SNR值。在低SNR情况下，更适合使用MRT预编码；而在高SNR区域，由于ZF算法的总速率性能比MRT高，因此更受青睐。
- 最小均方误差（MMSE）算法 ：也称为正则化ZF算法，它可以补偿背景噪声和未知用户干扰的影响。由于实际中信道状态信息（CSI）并不完