在多用户下行毫米波分布式大规模MIMO中提高频谱效率

更多天线为何对你的手机很重要

我们每年都要求无线网络承载更多的视频、游戏和数据并减少延迟。简单地提高发射功率或增加几根天线已不足以满足需求。本文探讨了一种更聪明的方式来布置和控制大量天线与小型基站，使得同一频谱能够传输更多信息。研究聚焦于毫米波信号——它们能搬运巨量数据但难以管理——并展示如何在不构建极其复杂和昂贵硬件的前提下，接近“可能的最佳”速率。

把一座大塔分解成许多小帮手

传统蜂窝系统通常设想一座高塔，塔上有大阵列天线同时服务许多用户。在分布式大规模MIMO架构中，这座大塔被若干较小的基站替代，每个基站配备一组天线，分散在区域内并由中心控制器协调。由于每个小站更靠近其服务的用户，信号更强、更干净，系统也能更好地应对体育场或市中心等拥挤场景的高流量。通过分析和仿真，研究确认这种分布式布局在总硬件相同的情况下，能比单一集中式天线阵列提供更高的数据速率。

结合模拟“旋钮”和数字“大脑”

在毫米波频段，天线体积很小，可以安装数十甚至数百根天线。但问题是，为每根天线配备完整的数字电子设备代价极高且耗电。作者通过结合两种控制方式来解决这一问题。模拟预编码使用相移器等简单硬件把波束朝期望方向整形；数字预编码在基带处理器中对信号进行精细调整。所谓“混合预编码”就是分担任务：模拟部分以低成本提供粗略方向控制，数字部分负责精确的用户区分。研究关注一种全连接设计，其中每个数字链路可以通过模拟电路到达所有天线，这在显著减少电子器件的前提下提供了很大的灵活性，相较于全数字方案更具实用性。

把干扰变成近乎无声

当同时为很多用户服务时，彼此间的信号会造成干扰，降低整体速率。论文表明，在天线数目很大且按简单直线排列的系统中，通过精心选择的波束方向，不同用户的信道会变得几乎数学上独立。通俗地说，天线可以把波束做得非常窄，每个用户“听到”的主要是自己的信号，几乎听不到别人的。这一结果使作者在计算系统能承载的信息量时可以把干扰视为可忽略，从而解释了为什么在这种架构下增加天线能够持续提升性能而不会造成混乱。

一个两步调优方法以加速数据传输

设计最佳的混合预编码器是个困难的数学问题，因为模拟和数字部分耦合紧密且存在严格的发射功率限制。作者提出了一种两阶段的迭代算法来应对这一挑战。第一阶段，假设模拟波束控制网络固定，计算在功率约束下最大化总数据速率的最佳数字设置。第二阶段，将该数字设置视为已知并更新模拟控制矩阵。通过在这两步之间反复交替，并利用称为Karush–Kuhn–Tucker（KKT）条件的标准优化工具，方法收敛到一种能提供很高频谱效率的设计——即每赫兹频谱传输更多比特。

用更少硬件实现接近理想的速率

在现实的毫米波信道模型下的计算机仿真显示，所提出的方案在性能上持续优于若干知名的混合和模拟波束成形方法，甚至逼近理论上的全数字系统性能。当无线电频率链路数（硬件中昂贵的部分）约为数据流数的两倍时，增益尤为明显——这是未来基站的一个实际比例。与此同时，将基站分割为协调的小型小区降低了每个站点的处理负担并改善覆盖。对非专业读者来说，关键结论是：通过在简单的模拟波束控制与更智能的数字处理之间巧妙分工，并将天线分布在多个小型基站上，可以在不显著增加成本和功耗的情况下，从相同频谱中榨取出更多容量。

引用: Rajaganapathi, R., Senthilkumar, S., Alabdulkreem, E. et al. Improving spectral efficiency in distributed massive MIMO in multi-user downlink millimeter wave. Sci Rep 16, 6325 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37016-w

关键词: 毫米波, 大规模MIMO, 混合预编码, 分布式天线, 频谱效率