毫米波混合波束成形技術(shù)研究.pdf

1、毫米波通信技術(shù)作為下一代(5G）動(dòng)通信技術(shù)，引起了巨大的關(guān)注，毫米波頻段能夠提供高達(dá) GHz的可用頻譜，在此基礎(chǔ)上有希望使下一代移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)傳輸速率提高到Gbps以上，要達(dá)到這一目標(biāo)，首先需要克服的是毫米波無線傳播過程中，高于傳統(tǒng)微波幾個(gè)數(shù)量級(jí)的損耗和衰減。因此，毫米波通信系統(tǒng)必須利用大規(guī)模陣列天線，通過控制陣列天線獲得波束成形增益來對(duì)抗過強(qiáng)的損耗和衰減，改善毫米波通信系統(tǒng)的頻譜效率。
　　在傳統(tǒng)多天線系統(tǒng)中，多個(gè)數(shù)據(jù)流的波束成

2、形，即預(yù)編碼技術(shù)，是通過全數(shù)字方式在基帶編碼實(shí)現(xiàn)的。雖然全數(shù)字編碼能夠獲得很高的波束成形增益，但如果要在毫米波通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編碼的波束成形技術(shù)，則必須部署和收發(fā)天線數(shù)相等的收發(fā)機(jī)，鑒于毫米波通信系統(tǒng)中天線數(shù)量較多，對(duì)于實(shí)時(shí)信號(hào)處理的嚴(yán)格要求使得全數(shù)字實(shí)現(xiàn)不可行，另外，由于高額的成本和巨大的能耗，這種全數(shù)字編碼的波束成形技術(shù)在毫米波通信系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)也將受到較大的限制。
　　在射頻(RF)域?qū)崿F(xiàn)模擬處理可以減小數(shù)字收發(fā)機(jī)的數(shù)量（

3、小于收發(fā)天線數(shù)），收發(fā)機(jī)通過模擬移相器控制一定數(shù)量的天線，每個(gè)收發(fā)機(jī)產(chǎn)生一個(gè)波束并指向一個(gè)用戶實(shí)現(xiàn)模擬波束成形，但當(dāng)用戶空間分布較密集或重合時(shí)，這種方法將帶來嚴(yán)重的用戶間干擾。針對(duì)這一問題，可通過在模擬波束成形前對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)字基帶編碼來提升性能，這種結(jié)構(gòu)即混合波束成形系統(tǒng)；采用混合波束成形的毫米波通信系統(tǒng)可以有效地減小收發(fā)機(jī)的數(shù)量，降低波束成形的實(shí)現(xiàn)難度。
　　論文的工作是基于混合編碼結(jié)構(gòu)，在毫米波通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)波束成形技術(shù)

4、，主要內(nèi)容如下：
　　1.分析了毫米波信道特性，由于毫米波頻段的路徑損耗較為嚴(yán)重，導(dǎo)致毫米波傳播的空間選擇性有限，陣列天線的密集分布也使得天線陣元間呈現(xiàn)高相關(guān)性，因此空間不相關(guān)的瑞利模型不適用于毫米波信道。本文的研究中采用了稀疏信道模型，模型描述了分簇多徑特性，即包含少量主徑，以每條主徑為中心的簇包含若干條子徑，該信道能夠很好地描述小范圍（如室內(nèi)）場(chǎng)景下毫米波的傳播特性。
　　2.基于全遍歷改進(jìn)的混合波束成形算法：算法分為R

5、F編碼碼本搜索和基帶編解碼矩陣計(jì)算兩部分；首先基于最大互信息量準(zhǔn)則，通過遍歷RF編碼碼本集合的方式搜索出收發(fā)端RF最優(yōu)編解碼矩陣，然后基于最優(yōu)無約束編碼準(zhǔn)則，利用RF編解碼矩陣計(jì)算收發(fā)端基帶編解碼矩陣，最后對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行基帶編解碼和RF編解碼，實(shí)現(xiàn)收發(fā)端混合波束成形；仿真分析表明，改進(jìn)算法在降低了搜索復(fù)雜度的情況下，能夠取得不錯(cuò)的波束成形性能。
　　3.基于多重信號(hào)分類(MUSIC)到達(dá)角(AoA)估計(jì)的混合波束成形算法：算法通過

6、計(jì)算基帶編解碼矩陣和 RF編解碼矩陣實(shí)現(xiàn)；首先通過正交匹配追蹤計(jì)算出發(fā)端 RF編碼矩陣，然后基于最大互信息量準(zhǔn)則，計(jì)算出發(fā)端基帶編碼矩陣，對(duì)信號(hào)進(jìn)行發(fā)端編碼，通過信道后，接收端基于MUSIC算法對(duì)到達(dá)信號(hào)構(gòu)造信號(hào)子空間和噪聲子空間，并利用噪聲子空間和信號(hào)子空間的正交性，在頻域搜索譜峰，譜峰對(duì)應(yīng)的角度即為接收信號(hào)到達(dá)角，利用到達(dá)角計(jì)算出收端RF解碼矩陣，然后基于最大互信息量準(zhǔn)則計(jì)算收端基帶解碼矩陣，最后實(shí)現(xiàn)收端波束成形；仿真分析表明，提出