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毫米波大规模MIMO异构网络系统混合波束形成算法研究

摘要

随着多种高级媒体设备和智能应用的迅猛发展，面对无线移动通信数据的爆炸式增

长，下一代无线通信网络需要提供更大的带宽和更全面的通信覆盖。异构通信网络与毫

米波大规模多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)的综合应用，充分利用

毫米波丰富的频谱资源，多层密集化的网络部署，以及大规模的天线阵列增益，在网络

覆盖范围、频谱效率、系统传输速率等方面发挥巨大优势，因此已成为下一代无线通信

的关键技术。

毫米波大规模MIMO系统存在高复杂度和高成本的严峻挑战，模拟和数字相结合

的混合波束形成通过在系统性能和硬件复杂度之间的灵活折中，为毫米波应用提供广阔

场景。毫米波大规模MIMO异构网络通过密集化的网络部署，以及协作中继技术的应

用，可以有效克服毫米波在非视距场景的传输缺陷，实现低时延、超高速率的数据传输。

同时由于多层异构网络的密集部署也会带来严重的干扰问题，通过波束形成来优化功率

和波束方向，提供显著的波束形成增益，减轻用户之间的干扰。基于以上背景，本文以

混合波束形成技术研究为核心，以最大化毫米波大规模MIMO异构网络系统频谱效率

为目标，针对毫米波大规模MIMO异构网络场景下的三种不同毫米波异构网络场景，选

择合适的协作方式和不同场景的对应的优化问题设计波束形成算法。论文研究的不同毫

米波异构网络场景可以分为三个部分：(1)面向小区协作的毫米波异构网络，宏蜂窝与微

蜂窝协作，微基站为宏蜂窝的智能中继,需要处理用户间的干扰；(2)面向热点区域的毫米

波异构网络，网络存在热点区域，分别考虑小区间协作与非协作的场景，需要处理层间

和层内干扰；(3)面向中继的毫米波异构网络，宏蜂窝存在中继，宏蜂窝与微蜂窝之间非

协作传输，需要处理层内和层间干扰。针对三种不同毫米波大规模MIMO异构网络场景

中的模拟移相恒模约束、异构网络干扰、计算复杂度等波束形成问题，提出了相应的波

束形成算法和方案来提升毫米波异构网络的频谱效率。主要研究内容和创新成果如下：

1.针对多用户面向小区协作毫米波大规模MIMO异构网络系统的和速率最大化问

题，研究了宏基站、微基站（中继）、和各个用户端的混合模拟/数字波束形成技术,提出

了一种新的混合波束形成方案：(1)对于宏蜂窝网络提出一种三阶段的混合波束形成算

法;(2)对于微蜂窝网络提出一种两阶段的混合波束形成算法。首先，对于宏蜂窝中继协

作毫米波下行网络，本文提出了一种三阶段的模拟/数字混合波束形成算法。为了增加毫

米波宏蜂窝基站的服务距离和范围，微蜂窝基站成为智能中继。最大系统和速率问题转

哈尔滨工程大学博士学位论文

化为混合波束形成接收信号与全数字波束形成接收信号的均方误差最小化问题。其次，

对于微蜂窝多用户下行毫米波系统网络，本文提出了一种两阶段混合波束形成算法。第

一阶段，模拟波束形成问题转化为一个加权压缩波束选择问题。第二阶段，设计了一种

有效的基于接收信号均方误差最小化的数字波束形成算法，可以有效的减少用户之间的

干扰。仿真结果表明；(1)本文提出的混合波束形成方案实现了令人满意的系统和速率性

能；(2)在多种实验场景中，提出的算法与现有算法比较具有较高的传输速率。

2.针对面向热点区域的毫米波大规模MIMO异构网络系统的和速率最大化问题，

研究了宏蜂窝和微蜂窝内的混合波束形成技术，提出了一种基于最小均方误差

(MinimumMeanSquareError,MMSE)的替代迭代混合波束形成算法。首先，对于三种实

际应用信道模型，本文提出了一种基于最小化均方误差的全数字预编码算法。该算法将

最大化系统和速率问题转化为最小化发送与接收信号的均方误差问题，有效处理网络中

层内与层间的复杂干扰。其次，对于多用户两层毫米波异构网络，本文提出了一种有效

的基于最小均方误差的混合波束形成算法。利用正交匹配追踪技术设计模拟波束形成，

数字波束形成部分设计了基于MMSE的数字波束形成算法，该数字波束形成以替代迭

代地方式处理异构网络中的层间和层内干扰。仿真算法表明：(1)提出的混合波束形成算

法在毫米波异构网络系统中得到了很好的系统和速率;(2)该算法相比于现有算法