《Sensors》：Energy-Efficient Hybrid Precoding with Switches and Inverters for Millimeter-Wave MIMO Systems
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本文研究了毫米波多用户大规模多输入多输出（massive MIMO）下行链路中的低复杂度混合预编码方案，其中基站同时服务于多个单天线用户，信道为频率平坦窄带信道。该设计旨在通过采用开关-逆变器（SI）架构替代高分辨率移相器（PSs），改善可达和速率、功耗与计算
本文研究了毫米波多用户大规模多输入多输出（massive MIMO）下行链路中的低复杂度混合预编码方案，其中基站同时服务于多个单天线用户，信道为频率平坦窄带信道。该设计旨在通过采用开关-逆变器（SI）架构替代高分辨率移相器（PSs），改善可达和速率、功耗与计算成本之间的权衡。数字迫零（ZF）预编码用于通过有效信道消除用户间干扰，而基于动态规划（DP）的顺序流程则用于选择局部模拟波束成形的SI状态。该流程重用部分复数累加和，并在受限候选集内执行精确幅度比较，但不保证全局最优性。能量效率（EE）被定义为带宽归一化的可达和速率除以总消耗功率。为优化该指标，改进的DP流程结合了在预设模拟波束成形增益约束下的天线去激活策略。这种基于增益的设计并不直接最大化多用户和速率或EE。在所评估的128天线SI阵列配置下，相较于全激活DP配置，天线去激活在设定条件下观测到约的EE提升。研究考虑了激活与去激活天线单元间的耦合效应，并推导了相应的馈电电压调整以维持波束方向图。通过对局部模拟波束成形增益的条件性分析，讨论了该方法对宽带传输的适用性。
研究背景、现存问题与研究动机
随着第五代及未来移动通信系统的发展，毫米波（mmWave）频段因其丰富的频谱资源成为实现超高速率通信的关键技术。然而，毫米波信号传播路径损耗严重，这促使研究人员采用大规模多输入多输出（massive MIMO）技术，通过部署大量天线形成高增益波束来补偿路径损耗。传统的全数字预编码架构虽然性能优越，但每根天线都需要独立的射频链（RF chain），导致硬件成本与功耗极高，难以在实际系统中部署。为此，混合预编码（hybrid precoding）架构应运而生，它将基带数字预编码与射频域模拟波束成形相结合，利用远少于天线数的射频链实现空间处理。
在混合预编码中，模拟预编码网络通常依赖高分辨率移相器（phase shifters, PSs）来实现相位调节。然而，高分辨率PSs本身功耗可观，且其连续可调的相位值在实际离散控制下也面临复杂度挑战。此外，现有的大多数混合预编码方案在设计模拟预编码矩阵时，往往追求逼近全数字预编码器的性能，这导致了复杂的迭代优化或全局搜索，计算开销巨大。因此，如何在保持系统性能的同时，显著降低硬件成本和计算复杂度，成为毫米波大规模MIMO系统实用化面临的核心问题。针对上述挑战，本研究探索了一种更为节能的硬件架构——开关-逆变器（switch-inverter, SI）架构，并在此基础上设计低复杂度的混合预编码算法，旨在改善可达和速率、功耗与计算成本三者之间的平衡关系。
研究内容、结论与意义
研究人员提出了一种基于动态规划（dynamic programming, DP）的低复杂度顺序预编码方案，专门针对SI阵列架构设计。该方案通过重用部分复数累加和来递归地选择天线状态，并引入天线排序和额外候选比较机制以缓解因丢弃中间状态造成的性能损失。在此基础上，研究人员进一步开发了一种服务质量（QoS）约束下的天线去激活策略，该策略利用从DP状态获得的波束成形贡献估计，指导在预设波束成形增益约束下的顺序天线去激活。通过在所研究的信道和功耗设置下进行分析，揭示了QoS阈值、传播路径结构以及射频链功耗如何影响天线去激活和可达速率-能量效率（EE）之间的权衡。这些观察结果为选择去激活策略和设置QoS阈值提供了实用指导。研究的重要意义在于，它证明了一种极低分辨率的SI硬件架构配合精心设计的低复杂度算法，能够在显著降低硬件成本和计算开销的同时，获得接近更复杂方案的性能，特别是在能量效率方面展现出优势，为未来低成本、低功耗的毫米波接入点和传感器网络网关设计提供了可行路径。
关键技术方法概述
为实现上述目标，研究人员采用了以下几个关键技术方法。首先，建立了基于固定子阵连接结构的SI混合预编码系统模型，其中每个射频链连接到一个固定的天线子集，模拟预编码系数仅限于{-1, 0, 1}三种状态。其次，设计了基于DP的顺序模拟预编码器设计方法，该方法在一个子阵内部，通过比较不同符号组合下部分和的幅度，逐步确定各天线的开关状态。为了弥补原生DP可能存在的次优性，研究人员提出了修订版DP，它包括按幅度降序排列局部系数，以及在每一步同时考虑接下来两个系数的四种符号组合进行比较。最后，开发了基于增益约束的天线去激活算法，该算法利用修订DP得到的最终配置重建前缀和，并根据每个天线对前缀和幅度的贡献增量进行排序，然后按此顺序尝试去激活天线，每次尝试后都会重新评估受影响的后继天线符号，并检查所有用户的模拟波束成形增益是否满足预设阈值。
研究结果
6.1 全激活天线时的可达和速率性能
在所有天线激活的情况下，研究人员评估了所提出的SI-DP方案在多用户场景下的可达和速率。仿真结果表明，在SNR = 20 dB、128天线、4个射频链、服务4个用户的设定下，对于简化的城市和乡村信道环境，修订版DP方案的和速率均优于交叉熵（cross-entropy, CE）基准方法和坐标更新（coordinate update, CU）基准方法。具体而言，在城市和乡村情况下，修订DP相对于CU分别获得了约和的和速率增益，相对于CE则分别获得了约和的增益。这表明，即使在所有天线都激活的条件下，所提出的基于DP的符号选择策略也能有效地提升系统吞吐量。
6.2 天线去激活下的能量效率性能
在引入天线去激活策略后，研究人员重点评估了系统的能量效率（EE）。结果显示，在SNR = 10 dB的设定下，采用修订DP结合天线去激活的方案，其EE相比对应的全激活修订DP配置获得了大约的提升。这一提升主要源于去激活天线所带来的电路功耗节省，尽管这伴随着一定程度的和速率下降。研究还发现，不同的QoS增益阈值设置会显著影响去激活的程度和最终的EE收益，表明存在一个最优的阈值选择范围。
6.3 不同信道配置与增益阈值的影响
研究人员进一步分析了在不同信道环境（城市 vs. 乡村）和不同QoS增益阈值下算法的表现。结果表明，在乡村信道（路径数较少）环境下，由于信道空间结构更为稀疏，天线去激活带来的EE提升更为明显。同时，较低的QoS增益阈值允许去激活更多天线，从而带来更大的功耗节省，但也可能导致和速率过度下降。因此，需要在EE增益和速率损失之间进行权衡，选择合适的QoS阈值。
6.4 信道估计误差敏感性分析
研究还考察了所提方案对非完美信道状态信息（channel state information, CSI）的鲁棒性。通过向理想信道添加不同程度的估计误差进行仿真，发现随着信道估计误差的增加，所有方案的可达和速率均有所下降，但所提出的修订DP方案相比于CE和CU基准方案，其性能下降趋势相对平缓，表现出较好的鲁棒性。
讨论与结论
在讨论部分，研究人员指出，所提出的基于增益约束的天线去激活策略是一个以天线数为电路功耗代理的启发式设计，它并不直接最大化能量效率（EE）。虽然在某些条件下，最小化天线数与最大化EE之间存在联系，但这依赖于特定的假设（如速率变化很小且总功耗接近最小值），而所提出的顺序方法并不能保证这些条件成立。因此，该策略提供了一种实用的、低复杂度的途径来探索EE性能，但其结果并非全局最优。此外，研究人员还讨论了将所提出的频率平坦模型扩展到宽带正交频分复用（OFDM）系统的可能性，指出在信道向量跨子载波成比例的特殊条件下，本地的模拟增益排序可以保持一致，但在一般多径信道下，需要更复杂的联合设计。
研究结论部分总结如下：研究人员提出了一种针对开关-逆变器（SI）阵列架构的、基于动态规划（DP）的低复杂度顺序预编码方案。该方案通过重用部分复数累加和来递归地选择天线状态，并通过天线排序和额外候选比较来减轻性能损失。此外，还开发了一种与修订版DP相结合的、受QoS约束的天线去激活策略，该策略利用DP状态获得的波束成形贡献估计来指导顺序去激活。在所研究的信道和功耗设置下，分析了QoS阈值、传播路径结构和射频链功耗如何影响天线去激活以及可达速率与EE之间的权衡。仿真结果表明，所提出的修订DP方案在全激活状态下实现了比交叉熵（CE）和坐标更新（CU）基准方法更高的和速率。结合天线去激活后，在特定设置下观测到了大约的EE提升，这验证了所提方案在改善系统能量效率方面的潜力。
