徐順清 石晶林 張宗帥 龍 隆 任俊威
(*移動(dòng)計(jì)算與新型終端北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)(**中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所無(wú)線通信技術(shù)研究中心 北京 100190)(***中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)(****中國(guó)三星研究院 北京 100028)
當(dāng)前全球移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)步入了5G時(shí)代,與4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相比,5G通信在信息傳輸與接收速率、通信質(zhì)量及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)性能上都有了質(zhì)的飛躍[1,2],5G通信能夠給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的使用者帶來(lái)更加流暢的使用體驗(yàn)。傳統(tǒng)多輸入多輸出(multiple-input multiple-output,MIMO)系統(tǒng)僅在基站中配備了少量的天線,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通信信息的小規(guī)模傳輸[3]。從傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的分類可知,MIMO具體包括空間分集[4]與波分復(fù)用[5],信號(hào)的預(yù)編碼及波束的賦型[6,7]。盡管傳統(tǒng)MIMO技術(shù)在現(xiàn)階段仍擁有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì),但由于其發(fā)射基站端配備的天線數(shù)量較少,限制了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)性能,也無(wú)法滿足5G通信的基本要求。隨著工業(yè)技術(shù)和通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步,目前基站天線的數(shù)量可以增加到幾十根甚至上百根,移動(dòng)接收終端的天線數(shù)量也在不斷增加。由于天線數(shù)量的增加使多用戶MIMO的陣列更為先進(jìn),通信信號(hào)質(zhì)量也更加穩(wěn)定。大規(guī)模MIMO技術(shù)是5G移動(dòng)通信的核心與關(guān)鍵技術(shù)[8-10],使用該項(xiàng)技術(shù)能夠極大改善無(wú)線通信中信號(hào)的頻譜效率,提高信息傳輸與接收的質(zhì)量與穩(wěn)定性。
而在大規(guī)模 MIMO技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用與落地環(huán)節(jié)中,基于混合波束成型技術(shù)的多用戶大規(guī)模MIMO調(diào)度算法至關(guān)重要。盡管傳統(tǒng)毫米波單輸入單輸出(single input single output,SISO)技術(shù)中的通信信號(hào)傳輸[11,12]也可以支持多通道數(shù)據(jù)流信息的同時(shí)傳輸,但隨著通信網(wǎng)絡(luò)密集程度、負(fù)載強(qiáng)度的提高、及用戶對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的追求,多用戶大規(guī)模 MIMO的推廣使用呼之欲出??臻g通信中用戶之間的通信干擾實(shí)時(shí)存在[13],多用戶MIMO技術(shù)及基于混合波束成型的調(diào)度算法的終極目的,就是要通過(guò)合理的數(shù)據(jù)調(diào)度改善通信系統(tǒng)中頻譜效率過(guò)低的不足,并在保證用戶通信質(zhì)量的前提下,同時(shí)處理和服務(wù)多個(gè)共享通信資源的網(wǎng)絡(luò)用戶,并兼顧用戶之間的公平性[14]。本文在研究大規(guī)模MIMO的傳輸原理和毫米波混合波束成型模型設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上,提出了一種混合波束成型算法,并基于該模型確定出雙向交替優(yōu)化發(fā)射端和接收端子陣列的天線加權(quán)矢量;以通信周期為基準(zhǔn),基于模型設(shè)置的門限值調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源,實(shí)現(xiàn)了多用戶MIMO通信中網(wǎng)絡(luò)用戶的分級(jí)增益與通信公平性的均衡。
假定5G通信系統(tǒng)中,基站和接收終端安裝的天線數(shù)量分別為NBS和NMS,Ns個(gè)數(shù)據(jù)流通過(guò)全數(shù)字預(yù)編碼器處理后發(fā)送到接收終端,其傳輸模型如圖1所示。
圖1 全數(shù)字波束成形系統(tǒng)傳輸模型
在全數(shù)字波束成形預(yù)編碼算法中,通常可以對(duì)信道矩陣進(jìn)行奇異值分解(singular value decomposition,SVD),得到系統(tǒng)的預(yù)編碼矩陣為Ho以消除系統(tǒng)中的干擾,從而提高系統(tǒng)性能[15]。隨著天線數(shù)目的增加用于波束賦形的鏈路數(shù)量也需要相應(yīng)增加,為了控制硬件成本的投入,將空間信號(hào)轉(zhuǎn)移到模擬域處理是最優(yōu)的選擇,混合波束賦形系統(tǒng)的陣列形態(tài)結(jié)構(gòu)圖,如圖2所示。
在前端天線與數(shù)字波束賦形間加入一級(jí)模擬波束賦形降低了通信中的硬件復(fù)雜度。經(jīng)過(guò)模擬波束賦形粗匹配后等效通信信道的維度降低,并與射頻(radio frequency,RF)鏈路保持一致。(·)H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置,W為基站端NBS×Ns階的數(shù)字預(yù)編碼矩陣。
圖2 混合波束成形系統(tǒng)傳輸模型
信號(hào)經(jīng)由信道傳輸后,用戶終端所接收的信號(hào)r可以表示為
(1)
式中,P表示信號(hào)的平均發(fā)射功率,H表示基站到用戶終端之間NMS×NBS階的信道矩陣,n為信道噪聲矢量,矢量中每個(gè)元素都服從均值為0、方差為σ2的高斯分布。
最后,經(jīng)過(guò)數(shù)字合成器處理后用戶終端最終獲得的信號(hào)y可以表示為
(2)
式中,F(xiàn)表示NMS×Ns階的數(shù)字合成矩陣。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)用戶端是單天線時(shí)信號(hào)干擾僅存在于用戶之間,而引入MIMO多天線后,同一用戶信號(hào)接收系統(tǒng)的天線模組之間也會(huì)存在信號(hào)干擾。因此只有在滿足有利傳輸?shù)臈l件下,才能夠同時(shí)消除來(lái)自于通信用戶之間與單一用戶通信內(nèi)部多天線的干擾,有利傳輸條件可以表示為
(3)
其中,H代表信道共軛轉(zhuǎn)置矩陣,ξi(m)為信道共軛轉(zhuǎn)置矩陣H的行向量或列向量函數(shù),式(3)即為縱向有利傳輸條件下用戶大規(guī)模 MIMO無(wú)線通信的通用表達(dá)式。在大規(guī)模 MIMO的信息傳輸系統(tǒng)中,通常會(huì)認(rèn)為當(dāng)基站的天線數(shù)m數(shù)值接近于無(wú)限大時(shí),此時(shí)數(shù)據(jù)傳輸信道向量出現(xiàn)了正交現(xiàn)象,即數(shù)據(jù)通信中就出現(xiàn)了一種理想化的狀態(tài),達(dá)到了有利傳輸?shù)臈l件。當(dāng)信號(hào)傳輸基站中相同用戶的內(nèi)部天線干擾消除時(shí),需要滿足如下條件:
(4)
因此在有利傳輸假定條件下,根據(jù)構(gòu)建的幾何模型信道可以得出結(jié)論,大規(guī)模 MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)不僅可以消除通信中用戶之間的信號(hào)干擾,而且對(duì)于同一用戶內(nèi)部天線間的干擾也有很好的抑制作用,能夠保持合理的通信容量。
毫米波信道的特性與低頻段的微波信道不同,該信道中的有效散射體數(shù)量較少,同時(shí)信號(hào)在傳播時(shí)自由空間路徑損耗較嚴(yán)重,因此,毫米波信道被認(rèn)為是稀疏的信道[16]。為了能夠體現(xiàn)毫米波信道的這種特性,本文采用如圖3所示的Saleh-Valenzuela集群信道模型,則基站與接收終端之間的信道可以表示為
(5)
圖3 毫米波信道模型
(6)
(7)
作為現(xiàn)階段通信領(lǐng)域一種通用的信號(hào)傳輸與數(shù)據(jù)信息處理技術(shù),波束成型技術(shù)主要是通過(guò)信號(hào)加權(quán)處理的方式,將原有的信號(hào)波束處理成窄帶波束,并將能量匯聚于主要目標(biāo)用戶一點(diǎn),進(jìn)而改善了接收用戶的通信信噪比,提高了信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。毫米波大規(guī)模MIMO是實(shí)現(xiàn)波束成型的主要方式之一,其在無(wú)線通信的效率和速度方面,與傳統(tǒng)模式相比具有很明顯的優(yōu)勢(shì),但在信號(hào)傳輸中毫米波的信道損失也十分嚴(yán)重,故降低通信中的信道損耗混合波束成型技術(shù)是關(guān)鍵。而對(duì)于多用戶、多天線的通信系統(tǒng)而言,需要實(shí)施預(yù)編碼信息處理來(lái)消除用戶之間天線的相互干擾。單一的數(shù)字波束成型由于信號(hào)射頻(RF)鏈路過(guò)多,消耗了更多的系統(tǒng)能量;模擬波束成型技術(shù)可以避免數(shù)字波束成型的不足,但數(shù)字傳輸?shù)募s束條件過(guò)多,會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能。而將現(xiàn)有的數(shù)字波束成型技術(shù)與模擬波束成型技術(shù)相結(jié)合,形成一種混合波束成型設(shè)計(jì),能夠規(guī)避2種傳統(tǒng)技術(shù)的固有缺點(diǎn)。
考慮到混合波束成型系統(tǒng)總體架構(gòu)的問(wèn)題,RF鏈路、天線子陣列、系統(tǒng)的模擬相儀器及用戶的射頻天線都采取一對(duì)一的連接方式,數(shù)據(jù)流傳輸中先要經(jīng)過(guò)維度為NRF×Ns的數(shù)字編碼器FBB處理,再經(jīng)過(guò)維度為NRF×N的模擬編碼器的FRF處理,由于模擬編碼器會(huì)受到內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相移器的限制和約束,條件如下:
FRF=diag{f1,f2, …,fNRF}
(8)
其中,fi是第i個(gè)信號(hào)發(fā)射子陣列的控制矢量。而數(shù)字編碼器與模擬編碼器之間需要滿足以下條件:
‖F(xiàn)BB×FRF‖2≤Ns
(9)
在信號(hào)的用戶接收端,同樣配備了NRF個(gè)天線子陣列,接收的信號(hào)由模擬合成器HRF處理,模擬合成器HRF的表達(dá)式為
HRF=diag{h1,h2, …,hNRF}
(10)
其中,hi代表第i個(gè)子陣列的AWV(antenna weight vector),混合波束成型設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使編碼器FBB、FRF、HRF與數(shù)字合成器HBB聯(lián)合優(yōu)化,在數(shù)字信號(hào)通信信道G狀態(tài)未知的條件下,只有先獲得子陣列的AWV,才能夠得到通信信道的等效信息。本文利用接收信號(hào)信干噪比(signal to interference plus noise ratio,SINR)最大化的原理求解子陣列的AWV,并使接收信號(hào)的SINR最大,即滿足下述條件:
(11)
其中,Hk,i表示發(fā)射與接收陣列之間的信道響應(yīng)陣列。保持接收端天線陣列信號(hào)波束方向一致,并使發(fā)射信號(hào)信干噪比最大,即滿足下述條件:
(12)
基于SINR最大化原理設(shè)計(jì)的毫米波混合波束成型步驟如下。
步驟1系統(tǒng)初始化并固定發(fā)射端的FRF,優(yōu)化子陣列AWV。
步驟3固定接收端的HRF,并進(jìn)行相應(yīng)的賦值。
步驟4通過(guò)比較通信信號(hào)接收端與發(fā)射端之間的賦值差與收斂閾值的大小,來(lái)決定是否停止系統(tǒng)的迭代。
(13)
在對(duì)等效通信信道進(jìn)行奇異值分解,并以提取到的最大奇異值矢量,作為多用戶通道中的預(yù)設(shè)編碼矩陣。本文以2×2 MIMO為例分析毫米波混合波束成型的設(shè)計(jì)復(fù)雜度,首先匹配多用戶MIMO通信接收端與發(fā)射端陣列所對(duì)應(yīng)的AWV,如果能夠確定第1對(duì)陣列可以進(jìn)行正常的工作,然后依次檢測(cè)后續(xù)的端子陣列,以此類推直到信號(hào)匹配工作的完成。實(shí)現(xiàn)收發(fā)端子陣列匹配的總共訓(xùn)練次數(shù)Ctotal可以表示為
(14)
多用戶MIMO數(shù)據(jù)信息傳輸模式服務(wù)于多用戶的數(shù)據(jù)流,利用預(yù)編碼技術(shù)將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流映射到傳輸端的天線。由于多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的特點(diǎn),一次就能夠?qū)崿F(xiàn)多用戶的分集信號(hào)增益,從而也改善了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)性能??紤]到多用戶MIMO混合波束成型結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性,本文采用比例公平算法設(shè)計(jì)總體的調(diào)度方案。比例公平算法設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于,既考慮到了通信信道性能衰減帶來(lái)的信噪比降低問(wèn)題,還考慮到了多用戶同時(shí)使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)帶來(lái)的分集增益現(xiàn)象,將比例公平算法方案的優(yōu)先級(jí)定義為ζk:
(15)
其中,ξk(t)和Rk(t)分別為第k個(gè)用戶在t時(shí)刻的請(qǐng)求速率和平均數(shù)據(jù)傳輸效率。如果一個(gè)用戶的信道資源被連續(xù)調(diào)度時(shí),其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)會(huì)降低;而用戶所處區(qū)域的信道質(zhì)量較差時(shí),其傳輸效率同樣會(huì)降低。公平調(diào)度方案設(shè)計(jì)的目的就是要實(shí)現(xiàn)用戶之間信道資源與數(shù)據(jù)傳輸、接收的均衡處理。
對(duì)于毫米波大規(guī)模MIMO混合波束成型系統(tǒng)而言,在綜合通信調(diào)度中首要考慮的問(wèn)題,是在匹配用戶和子陣列的基礎(chǔ)上,提高系統(tǒng)總體的數(shù)據(jù)吞吐量。為此,本文在比例公平算法方案的研究基礎(chǔ)上,提出了基于MIMO系統(tǒng)混合波束的半正交公平調(diào)度算法,來(lái)實(shí)現(xiàn)信道資源占用和信號(hào)傳輸?shù)木?。在確定的信號(hào)調(diào)度周期T內(nèi),按照用戶接收信號(hào)功率最大化的準(zhǔn)則選取出樣本用戶群,并統(tǒng)計(jì)用戶被調(diào)度的總次數(shù),再基于事先確定好的門限值對(duì)被MIMO系統(tǒng)調(diào)度次數(shù)比較少的用戶進(jìn)行集中調(diào)度。在信號(hào)發(fā)射端匹配用戶時(shí),歸屬于基站的子陣列使用碼本Bi調(diào)制波束信號(hào),考慮到波束間的干擾與半正交性,正交的2個(gè)波束pi與pj滿足如下條件:
|〈pi,pj〉|≤τ,τ∈(0,1)
(16)
此時(shí),碼本Bi由下式生成:
Bi=
(17)
其中,B0為系統(tǒng)初始碼本,由碼本Bi與正交波束pi與pj,即可以對(duì)子陣列進(jìn)行混合波束匹配,在降低天線間干擾的同時(shí),也不增加數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目偝杀?。在?duì)多用戶進(jìn)行信號(hào)調(diào)度時(shí),需要提前設(shè)定好門限值,以更好達(dá)到均衡、公平調(diào)度的最終目的?;旌喜ㄊ胝还秸{(diào)度算法有如下幾個(gè)主要步驟。
步驟1確定待調(diào)度的用戶集合和發(fā)射子陣列。
步驟2基于碼本Bi中的碼字發(fā)射原始信號(hào)與接收功率。
步驟3確定用戶的優(yōu)先級(jí)及匹配用戶,并確定出算法的調(diào)度周期。
步驟4如果存在很多個(gè)用戶同時(shí)滿足該條件,則在該調(diào)度中優(yōu)先選擇調(diào)度次數(shù)少的用戶。
步驟5最后確定用戶碼字發(fā)射信號(hào)及對(duì)應(yīng)發(fā)射波束。在信號(hào)的發(fā)射端利用混合波束成型技術(shù)與RF等效信息,就可以消除大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中多用戶數(shù)據(jù)流之間的相互干擾,大幅度地提高通信的質(zhì)量。
仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)定為只有一個(gè)小區(qū),并且該環(huán)境內(nèi)包括一個(gè)多天線基站系統(tǒng)。為降低仿真實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜度,全部接收通信信號(hào)用戶的SINR固定為相同的值r,其他相關(guān)的參數(shù)設(shè)定如表1所示。
表1 仿真參數(shù)設(shè)置
為驗(yàn)證混合波束成型方案的性能,在RF鏈路數(shù)分別為2、4及6的條件下,對(duì)比文中提出混合波束方案與兩級(jí)優(yōu)化方案的頻譜效率。其他的實(shí)現(xiàn)條件包括天線子陣列的數(shù)量為16,碼字?jǐn)?shù)量為32,且滿足信號(hào)接收鏈路數(shù)與發(fā)射鏈路數(shù)相等。不同射頻鏈路下的方案實(shí)現(xiàn)頻譜效率對(duì)比,如圖4所示。
圖4 不同射頻(RF)鏈路下方案的頻譜效率對(duì)比
如圖4中的頻譜效率曲線變化所示,當(dāng)RF鏈路數(shù)為2時(shí),隨著信噪比的增加2種方案的頻譜效率變化接近;而當(dāng)RF鏈路數(shù)為4,隨著信噪比的增加文中提出方案的優(yōu)勢(shì)開(kāi)始顯現(xiàn)出來(lái);而當(dāng)RF鏈路數(shù)為6時(shí),當(dāng)信噪比超過(guò)5時(shí),混合波束成型方案的頻譜效率開(kāi)始顯現(xiàn)出來(lái),這表明隨著天線陣列數(shù)量的不斷增加,所提方案具有更好的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸性能。
調(diào)度算法的性能仿真對(duì)比,從平均接入用戶的數(shù)量、基站平均最小發(fā)射功率和基帶傳輸速率等3個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,選擇與提出基于混合波束成型多用戶MIMO 算法對(duì)比的2種調(diào)度算法,分別為窮舉算法和兩級(jí)優(yōu)化算法[18]。將模型參數(shù)的比值因子設(shè)定為1 000,開(kāi)始對(duì)比3種算法基本性能,先在不同的SINR條件下將用戶接入數(shù)量對(duì)比,如圖5所示。
當(dāng)用戶的SINR需求增加時(shí),多用戶MIMO系統(tǒng)的資源消耗會(huì)增加,如圖5所示,隨著SINR值的增加3種算法接入用戶的數(shù)量都在下降,但文中提出算法對(duì)于接入用戶下降趨勢(shì)的抑制作用相對(duì)于2種傳統(tǒng)方法更為明顯,具有一定的優(yōu)勢(shì),性能表現(xiàn)更優(yōu)。其次在同樣的SINR變化條件下,分析3種調(diào)度方法下基站平均最小功率的變化情況,如圖6所示。
圖5 平均接入用戶數(shù)量對(duì)比
圖6 基站平均最小發(fā)射功率變化情況
在SINR值持續(xù)增加的條件下,3種調(diào)度算法的基站發(fā)射功率都表現(xiàn)為上升的趨勢(shì),但從曲線的走向來(lái)分析,文中提出基于混合波束成型技術(shù)的調(diào)度算法,在相同的SINR值下效率最高,且穩(wěn)定性更好;而兩級(jí)優(yōu)化算法出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)和反復(fù),窮舉算法總體的發(fā)射功率和調(diào)度效率偏低。第3個(gè)調(diào)度性能對(duì)比指標(biāo)是在碼字個(gè)數(shù)為16的條件下,對(duì)比3種不同調(diào)度指標(biāo)的基帶傳輸速率。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的發(fā)射與接收點(diǎn)配置相同數(shù)量級(jí)的天線子陣列數(shù)量,每個(gè)子陣列天線都能夠生成6個(gè)待選的混合波束,隨機(jī)選定射頻鏈路的總數(shù)為4時(shí),3種不同算法的基帶速率表現(xiàn)如圖7所示。
與2種現(xiàn)有調(diào)度算法的基帶速率比較,在相同的SINR條件下,本文提出調(diào)度算法的性能最好。隨著SINR數(shù)值的增加,算法之間的性能差距也在增加,差距更為明顯。綜上分析,從平均接入用戶的數(shù)量、基站平均最小發(fā)射功率和基帶傳輸速率等3個(gè)指標(biāo)的驗(yàn)證結(jié)果可知,文章設(shè)計(jì)調(diào)度算法的總體性能更強(qiáng),穩(wěn)定性更高。
圖7 射頻線路既定條件下調(diào)度算法基帶速率表現(xiàn)
調(diào)度算法的復(fù)雜度是衡量多用戶MIMO調(diào)度算法是否適用的重要因素之一,同樣在射頻鏈路為4的條件下,統(tǒng)計(jì)和計(jì)算了不同調(diào)度算法的復(fù)雜度水平,統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表2所示。
表2 不同調(diào)度算法的復(fù)雜度對(duì)比
對(duì)比數(shù)據(jù)顯示本文提出的算法的復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有算法的復(fù)雜度,隨著用戶數(shù)量和天線數(shù)量的增加這種差距還會(huì)不斷地增加,由此可以證明在調(diào)度算法的可行性和適用性方面,基于混合波束成型的多用戶MIMO調(diào)度算法更具優(yōu)勢(shì)。
5G通信時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨,如何在高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)條件下保證通信質(zhì)量的同時(shí),兼顧通信速率和用戶的公平性,已經(jīng)成為了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。多用戶MIMO技術(shù)是目前5G通信的核心技術(shù)之一,為此本文提出了基于混合波束成型的通信調(diào)度算法,仿真對(duì)比結(jié)果顯示,本文所提算法在綜合性能與算法復(fù)雜度等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì),能夠保證多用戶MIMO通信的順利實(shí)現(xiàn)。