毫米波大规模MIMO系统混合波束赋形技术综述

针对毫米波通信中混合波束赋形技术,描述了毫米波传输特性及信道模型,概述了大规模毫米波 MIMO混合波束赋形系统及其数学模型,并在此基础上综述了混合波束赋形传输方案,介绍了毫米波波束对齐的2种可行方案,最后展望并预测了毫米波通信与其他技术融合的几种典型应用场景及未来的研究热点.     

基于MIMO阵列的混合波束赋形算法

低轨(low earth orbit,LEO)卫星通信可以克服恶劣地形影响实现远距离通信,面对突发灾害能快速部署解决通信问题,但是,卫星在保持高速运动的同时采用高频段的信号,容易导致通信时产生严重的信号衰落。针对此问题,基于传统遗传算法提出一种适用于混合波束赋形架构的算法。固定模拟域对数字域进行迭代优化,然后固定数字域对模拟域进行迭代优化,通过共同的待优化矩阵进行联合求解,在固定功率的前提下不断迭代优化矩阵,采用混合波束赋形方法有效减少硬件复杂度,更加接近数字波束赋形的性能。仿真表明,在混合波束赋形架构应用上,相对于传统的正交匹配追踪(orthogonal matching pursuit,OMP)算法,所提算法性能提升了6.61%。     

毫米波大规模天线系统中的混合波束成型技术

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.     

异构网中大规模MIMO场景下波束赋形设计

近年来,人们对于无线通信系统的数据传输速率的需求越来越大.大规模多输入多输出技术(MIMO)与小小区技术是能够满足人们高速增长的无线通信需求的关键技术.研究在一个异构网中的波束赋形问题,其中宏小区基站的配置为Massive MIMO,同时宏小区中包含小小区.在这样的场景下,宏基站配置大量天线,小小区基站配置少数天线,用户配置单天线.研究在这样的场景下,通过波束赋形设计,最大化所有用户的传输速率.该问题的目标函数是一个非凸的问题.通过运用半正定松弛(SDR)方法以及基于泰勒展开的一阶近似方法,将原问题转化为一个凸的近似问题,然后运用迭代方法求解.仿真结果证明,方案可以有效地提高包含Massive MIMO的异构网场景下的系统吞吐率以及能量效率.     

基于Grid-PARAFAC毫米波大规模多输入多输出系统联合信道估计算法

针对在毫米波大规模多输入多输出系统中超密集组网存在干扰的问题,提出了基于Grid-PARAFAC（grid-parallel factor analysis）联合信道估计方法。首先,将大规模天线的高维接收信号映射到大尺度张量空间,利用Grid-PARAFAC张量分解将其分解为子张量接收信号,然后对子张量接收信号并行张量分解得到符号、接收天线和子载波的子投影矩阵,最后,通过交替最小二乘准确求得隐藏高维接收信号中的信道信息。通过Grid-PARAFAC张量分解能够在保留原始空间信息的条件下深度挖掘数据隐藏因子,并对其处理而不是整个数据张量,降低了接收信号维度,同时又保留着高维接收信号的空间结构互相关信息;仿真结果表明,所提算法减少了超密集组网所存在高维度信道干扰,降低了计算复杂度,提高了系统性能。     

多输入多输出单载波频分多址系统的鲁棒波束赋形算法

针对多输入多输出(MIMO)单载波频分多址(SC-FDMA)系统中现有波束赋形算法在非理想信道状态信息下性能下降以及对信道信息误差敏感的问题,提出了一种鲁棒波束赋形算法。该算法利用谱范数对信道状态信息误差进行建模,并基于均方误差和准则将波束赋形优化问题建模为一个极小极大化问题,然后利用优超理论以及奇异值不等式理论证明该优化问题的鞍点特性并得出最优的波束赋形结构,最后利用凸优化得到最优的功率分配算法。仿真结果表明:与非鲁棒波束赋形和等功率分配算法相比,该鲁棒波束赋形算法在误码率以及频谱效率方面都能获得更好的性能,信道状态信息误差增大时,该鲁棒波束赋形算法与非鲁棒波束赋形算法相比在高信噪比时误码率性能约有1dB增益,频谱效率约提升6%。     

有限反馈下大规模MIMO系统性能仿真

大规模多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)系统由于天线数目的急剧增加,其模型与传统多入多出系统有诸多不同,反馈信息对系统性能有较大影响.针对迫零波束成形、有限反馈等条件下,对大规模MIMO系统进行仿真,研究其性能,对其实际应用有一定的指导意义.仿真分析表明,有限反馈下的大规模MIMO系统在反馈比特数目较少时与传统MIMO系统性能相仿,当反馈比特达到一定数目后,系统容量性能将显著提升.     

宽带太赫兹大规模MIMO系统中的混合预编码

针对宽带太赫兹大规模多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)通信系统中更大的带宽和更多的天线导致的波束分裂问题,构建了基于时延的宽带太赫兹大规模MIMO系统的混合预编码通信模型,并提出了一种高效且可实现的联合时延和相位的宽带太赫兹混合预编码算法。考虑到时延器值的硬件限制,通过最小化最优模拟预编码与等效模拟预编码之间的差来联合优化模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵,将联合优化问题转换成目标优化问题,通过将非凸问题转换成等价的凸问题来求全局最优解。仿真结果表明,提出的算法可以获得接近最优的可实现速率性能,且可以提高能量效率。     

毫米波通信系统中利用随机逼近的波束赋形算法

为了在60 GHz毫米波通信系统中确定收发机最优的窄波束方向使得传输速率最大,提出了一种基于波束码本的自适应波束赋形算法.该算法在室内60 GHz信道的射线跟踪模型基础上建立了离散优化问题,并引入随机逼近的全局优化算法进行求解,首先在窄波束空间中进行随机采样,再利用含噪的信道估计获得样本目标函数的无偏估计量,并据此执行...     

基于随机网格张量分解的多用户毫米波大规模MIMO系统信道估计

利用毫米波信道的稀疏散射特性和张量的空间结构,提出了一种随机网格张量分解的信道估计方法,接收信号被表示为一个四阶张量,采用随机张量压缩对单个用户信道进行解耦;采用网格张量分解方式,将大尺度的用户信道张量分解为若干个小尺度张量,并行且独立地分解所有子张量,由相关因子矩阵估计信道参数.仿真结果表明,该算法能获得较为准确的信...     

毫米波MIMO系统基于块对角化的混合预编码算法

在毫米波大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output, MIMO)系统中,传统的数字预编码器需要给每一个天线配置一条独立的射频(radio frequency, RF)链路,这将会大大增加系统的成本和功耗,通过混合预编码可以有效地解决射频链路受限的问题。目前,混合预编码的研究大多都是针对多用户单天线场景,没有考虑到用户端配置多根天线的情况,为了消除多用户间干扰,增加系统的频谱效率,提出一种针对多用户多天线场景的混合预编码算法。在模拟端,通过基于矩阵迭代算法和模拟矩阵集合设计方法进行求解。在基带端,采用块对角化技术(block diagonalization,BD)消除多用户之间的干扰。仿真结果表明,所提出的多用户混合预编码算法相较于传统的块对角化混合预编码算法具有更好的性能表现,且更接近于纯数字预编码算法。     

单用户毫米波大规模多输入多输出系统的几何均值混合预编码

针对奇异值分解在不同的信道及信噪比中进行比特分配造成的误码问题,提出了一种基于几何均值分解的混合预编码算法。在同时考虑预编码器和合成器的情况下,首先在基站端用奇异值分解设计数字编码器,利用基追踪原理设计模拟预编码器。然后在接收端采用启发式算法来设计数字合成器和模拟合成器。仿真结果表明,提出的混合预编码方案比传统基于奇异值的混合预编码具有更低的误码率,且频谱效率更接近理想值。     

RIS辅助毫米波MIMO级联信道的角度估计

智能反射表面（RIS）用低成本的无源反射元件控制入射信号的相位,将增强第6代移动通信系统的无线覆盖范围,并提高信道容量.由于RIS辅助毫米波多入多出（MIMO）级联信道仅有少量的弥散空间角度和相应的路径损耗,提出采用无网格的原子范数最小化方法来估计下行链路基站处的离开角和用户处的到达角,把级联信道的角度估计问题转化为凸优化模型进行求解.仿真结果表明,仅用少量的快拍数就能得到精确的角度参数.     

基于空间相关性的大规模MIMO信道压缩反馈算法

针对传统的信道状态信息(channel state information,CSI)反馈方法并不适用于大规模MIMO频分双工(frequency-division duplexing,FDD)系统的问题,提出一种基于导频设计的压缩反馈算法.基站通过对发送相关矩阵的平方根进行特征值分解(eigenvalue decomposition,EVD)得到稀疏基;根据最小二乘法(least squares,LS)设计出导频矩阵;根据该导频矩阵提出了一种基于导频设计的压缩反馈算法.理论分析与仿真结果表明,该算法能够以较低的反馈量获取较高的CSI反馈精度.     

基于混合方法的室内毫米波传播特性研究

为了研究室内毫米波的传播特性,结合射线跟踪法(ray tracing, RT)和时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)各自的优点,提出了一种基于射线跟踪法和时域有限差分法的混合方法。介绍了混合方法的基本思想,给出了混合方法建模步骤,利用射线跟踪法分析较为空旷的区域,而对于射线跟踪法不能准确预测的含有复杂间断点区域,用时域有限差分法进行了分析。探讨了发射信号频率为60 GHz,室内和室外到室内2种仿真环境下接收信号场强随距离变化的分布以及某一定点接收信号的时延信息。仿真结果可知,复杂环境下混合方法比射线跟踪法的精度高;在接收点的计算量上,混合方法比时域有限差分方法的计算量少。由此表明,混合方法是一种行之有效的方法,能够准确地预测毫米波的传播特性。     

毫米波大规模MIMO系统中基于GMD的低复杂度混合预编码

针对毫米波大规模多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)系统中,基于几何均值分解(geomet-ric mean decomposition,GMD)的混合预编码方案计算复杂度高的难题,提出一种基于GMD的低复杂度混合预编码方案.根据交替最小化原则,通过基于阶递归最小二乘的...     

A novel zero-payload downlink CSI feedback scheme for closed-loop beamforming system

A novel downlink channel state information(CSI)feedback scheme is proposed for the closed-loopbeamforming system.In the proposed scheme,mobile terminal(MT)superposes the uplink pilot on thereceived downlink pilot,forms the hybrid pilot(HP),and then transmits the HP to base station(BS)viathe uplink pilot channel.Because downlink CSI can be recovered from HP at BS side without consumingextra uplink bandwidth,the proposed scheme can achieve zero-payload CSI feedback,effectively solvingthe traditional bottl...