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基于大规模天线阵列混合波束成型的毫米波通信预编码技术研究

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基于大规模天线阵列混合波束成型的毫米波通信预编码技术研究

作者：颜兵健东南大学

学位级别：硕士

随着无线智能终端设备的普及,用户对移动流量的需求急剧增加,传统波段频谱资源愈发稀缺,毫米波段依靠丰富的频谱资源受到了广泛的关注。然而,毫米波信号路径损耗非常大,同时极易受到阴影的影响,从而导致通信中断。大规模天线阵列和适当... 详细信息

随着无线智能终端设备的普及,用户对移动流量的需求急剧增加,传统波段频谱资源愈发稀缺,毫米波段依靠丰富的频谱资源受到了广泛的关注。然而,毫米波信号路径损耗非常大,同时极易受到阴影的影响,从而导致通信中断。大规模天线阵列和适当的波束成型可通过增加天线增益来弥补路径损耗,但是数字基带波束成型要求发射机和接收机中每个天线单元都有完整的专用射频链路,这大大增加了设备成本和功耗。混合波束成型技术在达到与纯数字波束成型技术近似性能的同时,通过大幅度降低数字收发成型器的数量减少了器件成本,但是发射端功率放大器的数量仍然随着发射天线总数目的增加而增加,因此在这种架构中,功放器件的功耗是制约整个系统能量效率的一个关键问题。为了提高功放器件的能量转换效率,必须降低峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio,PAPR）以使功放稳定工作在饱和区域附近。本文主要研究降低信号峰均比的信号预编码方案以提升发射端功率放大器的能量效率。主要工作如下:介绍了基于数学优化模型的毫米波信号的峰均比压缩预编码技术,包括作为基线模型的迫零峰均比压缩预编码方案,以及性能大幅度优化的根据快速迭代收缩阈值算法（FISTA）和用于解决非约束无穷范数正则问题的Squash方法构建的迭代优化方案。针对迭代优化方案,通过仿真验证了正则化系数对峰均比性能和误比特率性能的权衡作用。针对大规模天线阵列结合混合波束成型架构的毫米波系统提出了基于非对称自编码器的峰均比压缩预编码方案。其中根据发射信号采用的QPSK调制,设计了复数全连接层（CFC）,并将复数全连接层、层归一化方案和基于大规模搜索方案得到的Swish激活函数应用在自编码器结构中。自编码器的训练过程采用多任务学习方案。根据两个指标要求,即衡量峰均比压缩程度的累积互补误差函数（CCDF）和衡量信号失真程度的误比特率设计了多任务学习的组合损失函数,并在训练模型时对比了一阶段和二阶段方案;最后仿真了基于数学模型的迫零和迭代优化方案,以及本文提出的自编码器方案,仿真表明基于自编码器的方案在峰均比性能和误比特率性能上都明显优于之前的方案。此外,针对不同方案的推理时的复杂度做了简要分析,分析表明基于自编码器的方案在应用时的时间复杂度大大降低。

关键词：峰均比压缩预编码自编码器复数全连接层毫米波混合波束成型

毫米波MIMO无线通信系统中混合波束成型技术研究

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毫米波MIMO无线通信系统中混合波束成型技术研究

作者：欧飞飞东南大学

学位级别：硕士

随着移动数据需求的大幅度增长,低频段的通信已无法满足快速增长的数据流量需求,高频段通信已经得到了工业界专家学者的关注和研究。由于在30GHz-300 GHz的毫米波频段具有大量的频带资源优势,使得其成为实现1OGbps吞吐量的室内无线局域... 详细信息

随着移动数据需求的大幅度增长,低频段的通信已无法满足快速增长的数据流量需求,高频段通信已经得到了工业界专家学者的关注和研究。由于在30GHz-300 GHz的毫米波频段具有大量的频带资源优势,使得其成为实现1OGbps吞吐量的室内无线局域网和第五代移动通信的关键频段。混合波束成型技术和多输入多输出技术的结合可以进一步提高系统吞吐量并且支持多个数据流的传输,已经成为毫米波通信的关键技术。因此,本文围绕混合波束成型技术进行了研究,开展了如下工作:首先,本文详细地阐述了混合波束成型技术。针对毫米波信道的传播特点,重点分析了其自由空间损耗、降雨衰减和渗透损失等特征。进一步介绍了 45GHz信道模型,最后详细地阐述了混合波束成型技术的定义、架构模型以及求解方法,为后续章节的研究奠定了基础。其次,本文提出了两种求解分离型子阵列天线加权矢量的方案。第一种求解方案是利用码本基于子阵列干扰消除的思想确定天线子阵列的天线加权矢量,而第二种求解方案通过两级优化确定天线子阵列的天线加权矢量。仿真结果表明所提出的两种求解方案实现的性能均优于现有文献方案,并且可以有效的降低系统复杂度。第三,本文提出了一种基于信干噪比最大化求解分离型子阵列架构模拟波束成型的算法,并设计了一种单用户毫米波MIMO混合波束成型传输方案。根据所提出的算法双向交替优化发射端和接收端子阵列的天线加权矢量,进而确定模拟波束成型,再进一步求解数字波束成型。仿真结果表明,所提算法收敛速度快,计算复杂度低,并且基于该算法设计的单用户毫米波MIMO混合波束成型传输方案在实现性能和复杂度关系上能够获得很好的权衡。最后,本文提出了一种基于波束半正交的多用户公平调度算法。针对毫米波多用户MMO混合波束成型系统,在提出的多用户非对称混合波束成型架构基础上,提出了一种既能考虑到用户的分集增益又可以兼顾用户之间公平性的调度算法。仿真结果表明,所提出的公平调度算法在性能无明显损失情况下可以很好地实现用户间的公平性。

关键词：毫米波MIMO 混合波束成型天线加权矢量低复杂度多用户调度

宽带毫米波混合波束成型系统中的用户选择与资源分配

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宽带毫米波混合波束成型系统中的用户选择与资源分配

作者：陈玙北京邮电大学

学位级别：硕士

混合波束成形（Hybrid Beamforming,HBF）技术一方面可以极大弥补在第五代移动通信系统（The 5th Generation Mobile Networks,5G）中应用毫米波频段所产生的高路损,同时相较于全数字波束成形在硬件复杂度、硬件成本与系统性能表现上有... 详细信息

混合波束成形（Hybrid Beamforming,HBF）技术一方面可以极大弥补在第五代移动通信系统（The 5th Generation Mobile Networks,5G）中应用毫米波频段所产生的高路损,同时相较于全数字波束成形在硬件复杂度、硬件成本与系统性能表现上有着更好的折衷,更易部署,因而成为满足5G系统对更高频谱利用率要求的一项关键技术。在一个单基站和多用户的混合波束成形系统中,当基站过载,也即请求基站服务的用户数多于基站可服务用户数时,就引发了选择哪些用户进行服务的用户调度问题。与传统MIMO系统用户调度仅需在候选用户集合中确定服务用户不同,单载波混合波束成形系统中的用户调度需要在用户选择以及各用户与基站间的通信波束对选择这两个维度上进行联合优化。更进一步地,多载波毫米波混合波束成形系统还可能涉及用户频率资源的分配问题,即需要联合优化用户选择、通信波束对选择及频率资源分配,因此处理流程更为复杂。现有研究工作涉及较少,已有解决方案中,直接应用穷举法遍历各资源维度所有组合会导致调度复杂度极高无法实际应用,此外一些启发式搜索机制也存在需知用户与基站间完整信道状态信息（Channel Status Information,CSI）、较少涉及宽带系统等不足。针对上述挑战,本文以频谱效率作为调度系统性能指标,研究了宽带毫米波混合波束成形系统中关于用户选择、波束配对以及频率资源分配的联合优化问题,并力求获得低复杂度、可不依赖CSI工作的实用化设计。首先,针对每位用户均占用同一频段上的全部子载波情况,此时不必考虑在各用户间进行频率资源分配的问题。针对这种全频段用户调度,本文提出了一种基于接收信号强度和波束指向信息的启发式用户调度机制。从增强各选择服务用户信道能量和减小各用户间干扰两方面考虑,完成候选用户筛选和通信波束对的确定。仿真结果显示,该调度机制在波束训练阶段的计算复杂度从穷举调度随候选用户指数级增长变为随之线性增长,同时频谱效率降低不超过5%,相较于只考虑用户信道能量的基准方案在性能表现上获得较大提高,从而在复杂度和性能之间实现了较好的折衷。接着,针对宽带混合波束成形系统中的部分频段用户调度,本文提出频率资源块分配、波束配对、用户分组与选择三阶段逐步递进的分步调度流程框架,并设计了各阶段的具体实现方案,形成基于不同波束训练模式和基于不同资源域分组的调度机制。所提机制在用户与基站间作单边或双边波束训练,根据最大接收信号强度得到各用户与基站通信时的最佳波束对和频率资源块组合,从而可以在波束或者频率两个维度进行不同的用户分组。仿真表明与穷举调度相比,分步调度机制频谱效率的下降不超过4%。进一步比较不同波束训练模式和不同分组方式对调度的性能影响,发现单边波束训练相较双边模式以略低的频谱效率表现为代价取得了更低的算法复杂度。此外,以频率进行用户分组时的系统频谱效率优于波束分组方案,所以在波束域和频域均可选择时应优先考虑以占用频率不同对用户分组。该分步调度框架和相关比较结论对宽带混合波束成形系统多用户调度机制设计以及用户选择和资源分配方案选取具有一定的工程指导意义。

关键词：毫米波混合波束成型用户选择用户分组资源分配

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毫米波通信中的混合波束成型技术研究

毫米波通信中的混合波束成型技术研究

作者：张奇能北京邮电大学

学位级别：硕士

毫米波频段有大量未授权的连续频段,因此毫米波技术是第五代移动通信的核心技术之一。毫米波的波长较短,路径损耗十分严重,但极短的波长也使得大规模阵列天线的尺寸变得更小,因此毫米波通信系统通常使用大规模阵列天线技术。混合波束成... 详细信息

毫米波频段有大量未授权的连续频段,因此毫米波技术是第五代移动通信的核心技术之一。毫米波的波长较短,路径损耗十分严重,但极短的波长也使得大规模阵列天线的尺寸变得更小,因此毫米波通信系统通常使用大规模阵列天线技术。混合波束成型技术与传统的全数字波束成型技术不同,它可以在较少的性能损失前提下大幅降低系统的复杂度、能耗和成本。本文针对多用户毫米波大规模多入多出(MIMO)通信系统,围绕混合波束成型的相关技术,开展研究工作,具体工作如下:首先,本文介绍了移动通信技术的发展现状,详细介绍了混合波束成型技术及其研究现状,并分析了毫米波信道的特点,建立了毫米波信道模型以及系统模型,之后阐述了现有文献中的各种混合波束成型技术及其结构。最后结合现有的研究成果,提出了两种新颖的混合波束成型方案。在第一种方案中,混合波束成型设计问题被分成两个阶段协同进行设计,在模拟射频(RF)域中,利用毫米波信道的稀疏特性,通过利用傅里叶变换(DFT)矩阵来重构模拟RF组合矩阵,之后利用等增益传输(EGT)算法最大化大阵列天线增益,等增益传输算法可以极大地降低计算复杂度。在基带数字域,主要考虑消除用户间干扰和用户内干扰,本文提出了一种基于矩阵空间映射的拓展块对角化(BD)算法。传统BD算法仅考虑干扰零空间,而本文提出的拓展BD算法同时考虑了干扰零空间和用户的信号特征空间,在消除干扰的同时增强了目标用户方向的信号功率,从而提升系统的频谱效率。仿真结果表明,和现有的低复杂度混合波束成型算法相比,所提出的算法计算复杂度更低且性能更好,而且所提出的算法在瑞利信道下依然有不错的性能,表现出更广的适用性。第二种方案利用迭代坐标下降法设计混合波束成型预编码矩阵,所提出的算法受启发于点对点发射机总功率受限系统中的波束成型算法。本文将该算法拓展到毫米波多用户下行信道场景,并完善了基带数字域预编码/组合矩阵的设计,使得算法性能有了不错的提升,随后进一步分析了实用系统中移相器相位分辨率有限时的算法性能。仿真结果表明,所提出的算法有很好的性能,非常适用于移相器相位分辨率有限的实际系统。

关键词： 5G Massive MIMO 毫米波通信混合波束成型

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毫米波大规模天线系统中的混合波束成型技术

中国传媒大学学报（自然科学版） 2021年第1期28卷 32-41页

作者：刘丹谱吴伟张松岭北京邮电大学信息与通信工程学院北京100876 北京紫光展锐通信技术有限公司北京100871

混合波束成型通过模拟和数字两级混合处理,可以在少量射频链路的支持下实现对更高频谱效率的支持,是毫米波大规模天线系统走向实用化的关键技术。本文首先论述了混合波束成型系统的基本架构与面临的挑战,并给出了常用的毫米波信道模型... 详细信息

混合波束成型通过模拟和数字两级混合处理,可以在少量射频链路的支持下实现对更高频谱效率的支持,是毫米波大规模天线系统走向实用化的关键技术。本文首先论述了混合波束成型系统的基本架构与面临的挑战,并给出了常用的毫米波信道模型。进一步地,分别针对单用户和多用户场景下分析了混合波束成型器设计的基本思路和代表性算法。最后,对码本设计以及波束训练和跟踪方面的研究工作进行了总结。

关键词：毫米波通信混合波束成型码本设计波束训练

毫米波大规模MIMO场景中的索引调制方案设计

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毫米波大规模MIMO场景中的索引调制方案设计

作者：周楚浙江大学

学位级别：硕士

第五代无线通信网络中,毫米波通信是一种受到广泛关注的极其重要的通信技术,毫米波频段因其丰富的频谱资源,可以适用于大数据流量的应用场景。而索引调制作为一种具有高频谱效率的绿色通信调制技术,也逐渐成为5G无线通信中非常具有前途... 详细信息

第五代无线通信网络中,毫米波通信是一种受到广泛关注的极其重要的通信技术,毫米波频段因其丰富的频谱资源,可以适用于大数据流量的应用场景。而索引调制作为一种具有高频谱效率的绿色通信调制技术,也逐渐成为5G无线通信中非常具有前途的技术之一。现有的索引调制方案在微波场景中可以很好的工作,但是在毫米波场景中的使用还存在一些问题。在本论文中,主要根据毫米波通信的特点以及未来通信部署的需求,对适用于毫米波大规模MIMO场景下的索引调制技术进行了研究,主要内容可以概括如下:第一、提出了一种适用于毫米波场景的波束空间调制技术。毫米波频段的信号传输会受到较高的传播路径损耗与吸收,只存在有限的空间选择性与散射效应,并且严重的路径损耗限制了其覆盖距离,因此需要通过在收发两端部署大规模天线来获得阵列增益,并结合波束成型技术产生特定目标方向的高增益波束,将能量集中到目标区域,充分利用空分复用增益,提升系统容量与能效,缓解严重衰落。而如果直接在毫米波系统中应用传统的空间调制方案,就不能利用大规模天线的阵列增益。同时,在微波频段,由于散射与反射丰富,当天线间距超过半波长时,天线间的相关性很低,采用基于天线的空间调制,不同天线上的信道响应能够被有效地识别,但在毫米波频段,空间信道之间是高度相关的。因此,本论文考虑结合波束成型技术,通过对波束的索引来传递数据信息,在不增加硬件复杂度的情况下,实现了频谱效率的有效提高。同时,为了进一步提升系统性能,引入扩频码索引资源,将两种索引方式同时参与信息比特的映射传输中,有效地增加了隐性传输信息的比特数,并联合利用波束域与码域资源进行多址接入,将其拓展至多用户的通信场景中。第二、提出了一种适用于3D MIMO场景的波束空间非正交多址接入方案。目前网络发展呈现出热点更热的趋势,如高层住宅,中心商务区,高校等这样的核心区域承载了大量的流量。用户集聚程度变高带来了更大的业务需求量,而如何在高楼遮挡、深度不足等场景下使得用户终端顺利接入是一个亟待解决的问题。3D波束成型可以提供更高维度的空分复用,在水平与垂直方向上都可以进行灵活的波束调整,因此可以很好地适应未来系统的部署,有效地应对复杂的实际情况。而与非正交多址接入技术相结合,则可提高无线资源利用率,增加用户分集度,更进一步提高系统容量。在该方案稀疏扩频设计中,联合考虑了用户的空间信道,根据用户信道的相关性进行扩频矢量的设计,对稀疏信道模型中,多用户间存在共享径以及波束间干扰的问题进行了针对性的解决,在获得分集增益的同时也将用户间的干扰降低。另外还给出了相应的波束空间优化算法、低复杂度检测算法,在波束空间构造中,通过最小化成对差错概率对波束空间进行了优化,而提出的低复杂度检测算法在保证误码率性能的同时也大大降低了检测复杂度。第三、对自适应激活的波束空间调制方案进行了研究。基于波束空间的调制方案通过对波束的索引来携带信息,可以获得较高的频谱效率,但同时也应关注的是,其系统性能对信道的依赖性较强。在前两章中,对波束的激活是以等概率的方式进行的,而实际通信场景中,不同的链路其信道质量是有差异的,当信道质量较差的链路被选用来进行调制符号的传输时,其性能损失不一定可以被空间调制额外携带的索引信息所补偿。因此,针对这个问题进行了改进,从最大化系统容量的角度分析,得到一个优化的激活概率分布,以一个优化的激活概率对波束进行激活。并基于此提出了基于哈夫曼编码的有效的编码和调制方案。为了降低检测的复杂度,使用MPA进行索引信息与数据信息的联合检测,并给出了具体的因子图构建和检测算法。仿真结果证明了提出的波束空间调制方案的可行性,在提升了系统容量的同时,降低了误码率,解决了由于不同链路信道质量的差异所带来的性能损失。

关键词：索引调制毫米波通信混合波束成型非正交多址接入