大规模天线阵列的混合数字与模拟波束成形设计

使用毫米波(mmWave)频率用于未来无线蜂窝通信系统的潜力推动了大规模天线阵列的研究，以实现高定向波束成形。然而，传统的全数字波束成形方法要求每个天线元件配备一个射频(RF)链，由于高频下RF链组件成本高、功耗大，对于大规模天线阵列而言不可行。为应对该硬件限制的挑战，本文考虑一种混合波束成形架构，其中整体波束成形器由一个低维数字波束成形器后接一个使用模拟移相器实现的RF波束成形器构成。我们的目的在于表明，此种架构能够以少得多的RF链数量逼近全数字方案的性能。具体而言，本文确立：若RF链数量为数据流总数的两倍，则混合波束成形结构可精确实现任意全数字波束成形器，而与天线单元数量无关。对于RF链更少的情形，本文进一步考量了点对点多输入多输出(MIMO)系统以及下行多用户多输入单输出(MU-MISO)系统传输场景下的混合波束成形设计问题。针对每种场景，我们提出了一种启发式混合波束成形设计，其性能接近于全数字波束成形基线。最后，所提算法针对仅有有限分辨率移相器可用的更实际设置进行了修正。数值仿真表明，即便使用分辨率极低的移相器，所提方案依然有效。