课题组在毫米波MIMO混合波束成形架构方面取得研究进展

2022年5月4日，课题组在毫米波大规模MIMO混合波束成形的架构方面取得研究进展。现有的毫米波（Millimeter Wave，mmWave）大规模MIMO通信通常采用模拟波束成形和数字波束成形构成的混合波束成形架构，其中模拟波束成形由移相器产生。考虑到移相器数量较大，课题组考虑使用比移相器功耗更低、成本也更低的射频开关，来替代大部分移相器，而只保留少量移相器，模拟波束成形由移相器网络和开关网络的混合架构（Variable Phase Shifter，VPS）来产生，架构示意图如下所示。

本文的设计目标是使用开关网络、移相器网络、数字波束成形三个矩阵的连乘结果，来逼近理想的波束成形矩阵，在矩阵的F范数最小化准则下进行逼近。为达到这个目标，本文提出了一种移相器网络和开关网络混合架构下的混合预编码方法（VPS Hybrid Precoding Design，VPS-HPD），采用了交替优化的思想，在给定开关网络和移相器网络时考虑了如何设计数字波束成形，在给定数字波束成形时考虑了如何设计开关网络和移相器网络，并交替迭代以上两步。特别的，在给定数字波束成形设计开关网络和移相器网络时，又使用了交替优化的思想，迭代优化了开关网络和移相器网络。

在所提出的VPS-HPD基础上，本文还进一步考虑了如何降低其计算复杂度（可视作软件复杂度）和硬件复杂度。

在降低计算复杂度方面，本文提出了一种VPS-LC-HPD算法，利用了数字波束成形矩阵的半正交结构，将数字波束成形矩阵转换为一个比例因子与半酉矩阵的乘积，从而获得了原目标函数（用开关网络、移相器网络和数字波束成形的连乘去逼近理想的波束成形矩阵）的上界函数，并研究了如何优化该上界函数。该上界函数的优化涉及开关网络、移相器网络、比例因子与半酉矩阵四个变量。VPS-LC-HPD算法使用了3个阶段，对这4个变量进行交替优化，在阶段1中，给定开关网络、移相器网络和比例因子，优化半酉矩阵；在阶段2中，给定开关网络、半酉矩阵和比例因子，优化移相器网络；在阶段3中，给定移相器网络和半酉矩阵，优化开关网络和比例因子。仿真结果表明，VPS-LC-HPD算法相比于VPS-HPD算法显著降低了算法复杂度，而性能损失微乎其微。

在降低硬件复杂度方面，为了在移相器用量不变的基础上，进一步降低VPS架构中开关的用量，本文提出了分组连接的VPS架构（Group Connected VPS，GC-VPS），如上图所示，该想法其实受毫米波大规模MIMO部分连接与全连接架构两者区别的启发。在GC-VPS架构中，将天线分为了若干组，在每组中，每个移相器通过开关网络连接到该组所有的发射天线上，而组与组之间不再连接，从而有效降低了开关的用量。针对GC-VPS架构，本文提出了GC-VPS-HPD算法和GC-VPS-LC-HPD算法。

仿真全面对比了不同架构的频谱效率（Spectral Efficiency，SE）、功率开销、能量效率（Energy Efficiency，EE）和计算复杂度。功率开销表格如上图所示。值得关注的是，在显著降低移相器用量的同时，所提出的VPS架构超过了经典的毫米波大规模MIMO全连接架构，更逼近全数字性能上限，即本文在开销降低的同时还提高了性能，而现有的FPS架构是达不到经典的全连接架构性能的，具体如下图所示。

论文作者包括戚晨皓教授、刘强同学、香港科技大学喻翔昊老师和帝国理工大学李烨教授，论文详见发表于SCI期刊IEEE Transactions on Communications的“Hybrid Precoding for Mixture Use of Phase Shifters and Switches in mmWave Massive MIMO”一文。