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能量效率最优的毫米波mimo系统混合预编码算法研究

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能量效率最优的毫米波MIMO系统混合预编码算法研究

作者：马春华东南大学

学位级别：硕士

毫米波通信技术被认为是未来无线通信系统的关键技术之一而被广泛关注和研究,本学位论文针对毫米波mimo系统研究了能量效率最优的毫米波混合预编码优化问题,全文研究内容概括如下：第二章研究了最大化毫米波mimo系统能量效率的混合预编... 详细信息

毫米波通信技术被认为是未来无线通信系统的关键技术之一而被广泛关注和研究,本学位论文针对毫米波mimo系统研究了能量效率最优的毫米波混合预编码优化问题,全文研究内容概括如下：第二章研究了最大化毫米波mimo系统能量效率的混合预编码优化问题。首先,假设接收端能完美处理接收信号,从而将问题简化为最大化发射端能效的混合预编码问题。然后,证明了混合预编码优化问题可以转化为欧氏距离最小化问题,并进一步等价为稀疏信号重构问题。数值结果表明,本章提出的混合预编码算法可以得到近似最优的能效性能,而且在高发射功率区域,能效最优混合预编码算法在能效性能上远远优于和速率最优混合预编码算法。第三章在第二章得到混合预编码矩阵的基础上,研究了MMSE混合接收处理优化问题。首先,证明了混合接收处理优化问题可以等价为带权重稀疏信号重构问题,并提出了基于不同稀疏逼近算法的混合接收处理算法。然后,给出了更加有效的收发端预编码设计顺序。数值结果表明,本章提出的基于不同稀疏逼近算法的接收混合处理算法均可以得到近似最优的系统性能,且基于正交匹配追踪算法的混合接收处理算法性能最好。第四章针对毫米波mimo干扰系统,研究了平均能量效率最优的混合预编码优化问题。首先,利用变量替换将原多元优化问题等价为单一预编码优化问题,通过求解得到能效最优的单一发送预编码。然后,将混合预编码优化问题等价为稀疏信号重构问题,并提出基于不同的稀疏逼近算法的混合预编码优化算法。数值结果表明,能效最优预编码算法可以得到更好的能效性能,且针对毫米波mimo干扰系统,基于不同稀疏逼近算法的混合预编码算法都可以得到近似最优的能效性能。第五章针对多小区多用户毫米波mimo系统,不仅考虑了小区间干扰而且考虑了小区内干扰,研究了小区能效加权和最大的混合预编码优化问题。首先,通过求解小区能效加权和最优的单一预编码优化问题得到能效最优的单一发送预编码。然后,将混合预编码优化问题转化为联合稀疏信号重构问题,并提出基于联合稀疏逼近的混合预编码算法。数值结果表明,能效最优的多小区多用户预编码算法能有效地提高系统的能效值,且基于联合稀疏逼近的混合预编码算法能有效地逼近最优预编码的能效性能。

关键词：毫米波mimo系统混合预编码能量效率稀疏逼近离散簇信道模型

基于张量分解和流形优化的双IRS辅助毫米波mimo系统信道估计

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物联网学报 2023年

作者：冯凯辉刘陈黄钲宋云超高润勤南京邮电大学电子与光学工程学院柔性电子(未来技术)学院

针对双智能反射面（Intelligent Reflecting Surface， IRS）辅助毫米波多入多出（Multiple-Input Multiple-Output， mimo）系统信道估计问题，本文提出一种基于张量分解和流形优化的信道估计方案。具体而言，首先利用接收信号的高维... 详细信息

针对双智能反射面（Intelligent Reflecting Surface， IRS）辅助毫米波多入多出（Multiple-Input Multiple-Output， mimo）系统信道估计问题，本文提出一种基于张量分解和流形优化的信道估计方案。具体而言，首先利用接收信号的高维特征构建张量模型，并基于张量的Tucker2分解形式给出信道估计问题的目标函数；其次，利用交替优化理论将信道估计问题拆分为多个子问题，为双IRS场景下各跳信道分别估计提供了可行方案；最后，考虑毫米波信道本身的低秩特性，将各个信道估计子问题转化为在复定秩矩阵流形上的优化问题，利用复定秩流形优化在求解秩受限优化问题下的优势，提出基于流形优化的交替信道估计方案。不同于传统方案，本文所提方案考虑了毫米波信道的低秩特性，对信道进行了准确描述，并应用流形优化理论有效处理定秩约束，提高了信道估计精度。仿真结果表明，在不同场景下本文所提出的信道估计方案在估计性能上均优于现有参考方案。

关键词：毫米波mimo系统双智能反射面信道估计流形优化张量分解

基于矩阵填充的毫米波mimo信道估计算法研究

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基于矩阵填充的毫米波MIMO信道估计算法研究

作者：杨晓冬天津工业大学

学位级别：硕士

毫米波（millimeter wave,mm Wave）大规模多输入多输出（multiple-input mutiple-output,mimo）系统已成为下一代蜂窝网络研究的关键主题。由于基于选择器的混合大规模mimo系统能够有效降低硬件复杂性和成本,提升能量效率,因此已成为... 详细信息

毫米波（millimeter wave,mm Wave）大规模多输入多输出（multiple-input mutiple-output,mimo）系统已成为下一代蜂窝网络研究的关键主题。由于基于选择器的混合大规模mimo系统能够有效降低硬件复杂性和成本,提升能量效率,因此已成为毫米波通信的研究热点。信道状态信息（Channel State Information,CSI）是大规模mimo无线通信系统中的关键因素,直接关系到通信的质量。信道状态信息可以通过信道估计获得。因此,信道估计对提高毫米波大规模mimo系统的通信质量至关重要。本文主要针对基于选择器的毫米波大规模mimo系统的信道估计方法进行研究。在获取此类系统的CSI时会面临诸多挑战,例如训练不足和计算复杂性太高等。为了解决存在天线阵列损伤时难以获取准确阵列响应向量的问题,本文利用毫米波信道的低秩特性,提出了一种基于矩阵填充的定点连续近似信道估计方法。该方法主要通过设计合理的预编码器和合并器,将观测到的少量接收信号值作为信道矩阵的采样值,利用这些观测值估计出整个信道矩阵。通过对均方误差、可实现的频谱效率和计算复杂度等性能的分析,实验结果表明,基于矩阵填充的估计器对存在天线阵列损伤误差的信道进行估计时,对天线阵列损伤免疫,而且其计算复杂度较低。此外,对视距路径信道（Line-of-Sight,Lo S）和非视距路径（Non-Line-of-Sight,NLo S）信道进行了对比,结果表明本文所提算法既适用于Lo S信道又适用于NLo S信道。研究表明,当存在天线阵列损伤时,基于矩阵填充的估计器不会受到相位误差和增益误差的影响,为毫米波信道估计提供了一种低成本且具有鲁棒性的解决方案。

关键词：毫米波mimo系统信道估计阵列损伤矩阵填充低秩

毫米波移动通信中基于AUKF的波束跟踪算法

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红外与毫米波学报 2021年第3期40卷 334-340页

作者：彭章友李文上海大学特种光纤与光接入网省部共建教育部重点实验室上海200072

针对移动毫米波通信场景中收发波束存在角度偏差时接收信号质量急剧下降的问题,提出一种基于自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)原理的波束跟踪算法。针对低复杂度对于移动场景的适用性,该算法设计了一种有效的波束跟踪方案,在模拟波束形成架... 详细信息

针对移动毫米波通信场景中收发波束存在角度偏差时接收信号质量急剧下降的问题,提出一种基于自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)原理的波束跟踪算法。针对低复杂度对于移动场景的适用性,该算法设计了一种有效的波束跟踪方案,在模拟波束形成架构中通过训练一个波束对以跟踪一条电磁波路径来保持有效的毫米波通信。通过引入自适应调节因子,在系统存在异常扰动时候,可以自适应调节预测和观测协方差矩阵,提高估计精度和收敛速度。仿真结果表明,所提的自适应无迹卡尔曼滤波算法明显降低了移动环境中的波束跟踪误差,具有稳健的波束跟踪能力。

关键词：毫米波mimo系统模拟波束赋形波束跟踪自适应UKF

基于天线位置优化的mimo系统信道容量研究

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基于天线位置优化的MIMO系统信道容量研究

作者：王一竹西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着人们对通信的要求越来越高,第五代移动通信系统(5G)成为了研究热点,可以显著提升数据传输速率。毫米波作为5G的一个重要技术,有大量可用的频谱,可以提供更多传输带宽,而多输入多输出(mimo)技术可以在系统带宽和总发射功率不增加的... 详细信息

随着人们对通信的要求越来越高,第五代移动通信系统(5G)成为了研究热点,可以显著提升数据传输速率。毫米波作为5G的一个重要技术,有大量可用的频谱,可以提供更多传输带宽,而多输入多输出(mimo)技术可以在系统带宽和总发射功率不增加的前提下,提高信道容量和频率利用率,因此毫米波与mimo技术的结合能更好的发挥其优势,有利于进一步提高传输速率,改善系统性能。在毫米波通信系统中,视距(LOS)是毫米波通信的主要传输方式,因此,本文主要对毫米波LOS mimo系统进行研究。在毫米波视距环境中,由于散射体数量较少使得信道之间高度相关,不利于数据传输,导致系统性能下降。有研究表明,LOS mimo信道的复用增益主要依赖于收发端天线的排布方式,而在不同天线阵列排布方式下,天线位置对信道容量的影响有较大的差异,通过优化天线位置能够有效提高视距环境下的信道容量。因此,本文主要对基于平行四边形阵列和均匀圆环阵列的信道容量进行研究并分析天线位置对信道容量的影响。本文首先介绍了毫米波通信的研究背景、研究现状及其挑战,然后介绍了毫米波mimo的系统原理以及信道模型,并从矩阵论的角度详细分析了mimo信道容量求解的基本方法。接下来,本文引入了基于均匀矩形阵列的LOS mimo信道模型,推导了矩形阵列基于信道容量最大化的阵列优化条件,其中包含多解。为了进一步优化信道容量,在矩形阵列的基础上,引入了倾斜角的概念,建立了基于平行四边形阵列的LOS mimo信道模型,在该模型中,发射端和接收端的阵列排布方式均为平行四边形。其次,基于香农信道容量并借助相应的数学手段推导了满足信道矩阵正交性的条件,得到了基于信道容量最大化的阵列优化条件。在仿真中分别分析了平行四边形阵列和矩形阵列中天线位置对信道容量的影响,并验证了最大化条件的准确性,而且,将平行四边形阵列与矩形阵列作比较,从结果中,我们看到了平行四边形阵列可以在不同的倾斜角下实现信道容量最大化,而且在同样的天线间距下,其信道容量大于等于矩形阵列。最后,本文还建立了基于均匀圆环阵列的LOS mimo信道模型。利用在该模型下信道矩阵的特性详细推导了收发端均为单圆环阵列以及收发端仅有一端为单圆环阵列、另一端为多圆环阵列的情况下信道容量与天线位置的定量关系,然后利用相同的方法对收发端均为多圆环阵列时的信道容量进行求解。在仿真中分析了均匀圆环阵列中天线位置对信道容量的影响,其中天线位置包括圆环半径、圆环数量以及收发端距离。并且在仿真中还可以发现,通过增加圆环的方式增加天线数量可能比在单圆环上增加同样的天线数量的信道容量大,因此可以看到多圆环阵列的优越性。

关键词：毫米波mimo系统视距阵列天线信道容量

毫米波大规模mimo混合预编码优化交替最小化算法

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现代电子技术 2021年第15期44卷 17-22页

作者：王婷吴君钦江西理工大学信息工程学院江西赣州341000

为了解决毫米波mimo系统采用的模拟/数字混合预编码器导致频谱效率损失增大,以及算法计算复杂度高等问题,提出了基于黎曼最陡下降(RSD)法的交替最小化算法来逼近全数字预编码器的性能。首先,算法用交替优化数字预编码器与模拟预编码器... 详细信息

为了解决毫米波mimo系统采用的模拟/数字混合预编码器导致频谱效率损失增大,以及算法计算复杂度高等问题,提出了基于黎曼最陡下降(RSD)法的交替最小化算法来逼近全数字预编码器的性能。首先,算法用交替优化数字预编码器与模拟预编码器的单回路结构,简化传统算法中复杂的嵌套循环结构;其次,通过改进梯度计算方法降低了由大矩阵Kronecker乘积引起的计算复杂度;最后,将RSD⁃AltMin扩展到采用正交频分复用的宽带系统。经实验仿真结果表明,提出的RSD⁃AltMin方法相比MO⁃AltMin具有更低的计算复杂度和更快的处理速度,同时更逼近最优数字预编码频谱效率。

关键词：交替最小化算法毫米波mimo系统混合预编码系统模型正交频分复用复杂度分析仿真分析

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一种新的基于压缩感知的毫米波信道估计算法

电讯技术 2020年第12期60卷 1437-1441页

作者：申敏余开文重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065 重庆邮电大学通信核心芯片、协议及系统应用团队重庆400065

针对传统稀疏重构算法需要信道稀疏度先验信息、复杂度高、不利于实际应用的问题,提出了一种新的基于波束空间分解的稀疏度自适应毫米波信道估计算法。该算法利用毫米波信道稀疏性的特点对信道进行波束空间分解,构造基于码本的感知矩阵... 详细信息

针对传统稀疏重构算法需要信道稀疏度先验信息、复杂度高、不利于实际应用的问题,提出了一种新的基于波束空间分解的稀疏度自适应毫米波信道估计算法。该算法利用毫米波信道稀疏性的特点对信道进行波束空间分解,构造基于码本的感知矩阵,获得l1范数约束问题模型;其次结合分段弱匹配追踪算法,采用弱阈值从感知矩阵筛选原子,再通过分组选择机制对选择的原子进行二次优化;最后根据最小二乘法估计出毫米波信道。仿真结果表明,所提算法的估计精度和复杂度在低信噪比和低训练长度情况下明显优于传统匹配追踪算法。

关键词：毫米波mimo系统信道估计压缩感知匹配追踪算法

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浅谈5G通信中的预编码技术

科技创新与应用 2017年第27期7卷 45-45,47页

作者：陈敏王萍海南大学信息科学技术学院海南海口570228

随着通信技术的发展,人们对提高数据传输速率、系统容量的兴趣使得下一代无线标准化工作的重点转移到实现这些目标的物理层方案上,大规模多输入多输出(Massive mimo)系统和毫米波mimo系统都是第五代通信技术中物理层方案的研究热点。而... 详细信息

随着通信技术的发展,人们对提高数据传输速率、系统容量的兴趣使得下一代无线标准化工作的重点转移到实现这些目标的物理层方案上,大规模多输入多输出(Massive mimo)系统和毫米波mimo系统都是第五代通信技术中物理层方案的研究热点。而要实现Massive mimo和毫米波mimo系统,降低其复杂度,预编码技术是其核心技术之一。文章简单介绍了预编码技术,对下一代通信技术中的预编码技术进行简要介绍,分析总结现有预编码技术有待进一步研究的问题。

关键词：预编码技术 Massive mimo系统毫米波mimo系统