基于网格化波束的方向估计方法和理论分析

作     者：万俐 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：温向明

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：MIMO 毫米波 波束赋形 方向估计 

摘      要：毫米波大规模MIMO系统通过波束赋形可获得超高的传输速率和定位精度,是未来移动网络通信的重要支撑技术。在毫米波大规模MIMO系统中,精准而低复杂度的离去角(angle-of-departure,AoD)和到达角(angle-of-arrival,AoA)的方向估计算法对信道估计和定位至关重要。本文首先针对常见的天线线阵和天线面阵设计了常态网格化波束码本用于波束扫描,并提出了基于常态网格化波束的方向估计算法。该方向估计算法可基于最强的几个常态网格化波束的接收能量闭式估计角度方向。由于在方向估计的过程中不需要相位信息,所提出的方向估计算法相比现有大多数算法具有更低的计算复杂度。本文进一步使用大偏差法和计算克拉美罗下界分析了基于常态网格化波束的方向估计算法的性能,包括波束未对准概率和估计偏差,并通过仿真验证了方向估计算法的理论性能。仿真结果显示所提方向估计算法的估计偏差可以逼近其克拉美罗下界。为了提高方向估计的效率,本文利用混合波束赋形系统混叠的多个常态网格化波束设计了梳状波束码本,并提出基于梳状波束的方向估计算法。由于常态网格化波束的主瓣结构可以在梳状波束的波束方向图中分辨出来,最强的几个梳状波束的接收能量也可用于方向的闭式估计。进一步的理论分析和仿真结果显示,相比基于常态网格化波束的方向估计算法,基于梳状波束的方向估计算法中波束对准的性能依赖更高的通信SNR。当波束未对准概率足够低时,基于梳状波束的方向估计算法和基于常态网格化波束的方向估计算法的估计偏差可以逼近其克拉美罗下界,并且基于梳状波束的方向估计算法在波束扫描时具有更低的时间复杂度。