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.     

相干多径环境下的毫米波大规模MIMO混合波束赋形方案

针对传统全数字域的解相干算法无法直接运用于混合波束赋形场景的问题,设计了一种混合波束赋形下的解相干方案。在模拟域,基于设计的码本波束,提出一种新的模拟波束赋形方案,分别搜索与每个信号方向最为接近的波束,形成波束集合,利用所得到的波束集合,对阵列接收信号分别进行模拟波束赋形得到一级输出。在数字域,提出“阵列信号重构”的思想,对一级输出进行阵列信号重构,将重构信号作为输入,进行空间平滑处理,在相干干扰方向和非相干干扰方向均可形成较深的“零陷”。通过理论分析和仿真,对不同方案的波束方向图、信干噪比、频谱效率等性能进行了研究。结果表明,所提出的混合波束赋形方案的信干噪比和频谱效率等性能几乎逼近于纯数字波束赋形方案。     

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...     

结构和算法设计视角下的混合波束成形技术研究进展

由于混合波束成形技术可以降低未来后5G和6G无线通信系统的硬件成本和功率消耗而广受学术界与工业界的关注。本文首先介绍了传统波束成形技术和混合波束成形技术的原理和特点;然后分别从结构设计和算法设计两方面对混合波束成形技术进行了分析,并归纳了当前文献中存在的各种经典混合波束成形方案;最后,指出了混合波束成形技术对于提升未来无线通信系统性能的重要性。     

毫米波段多波束偏置抛物反射面天线平面接收阵列研究

对毫米波段90°偏置抛物反射面天线的多波束接收特性做了研究分析,尝试用平面接收阵列来代替传统的曲面接收阵列,采用射线追迹与Stratton-Chu矢量衍射积分相结合的方法,计算分析了不同角度的入射波束在接收平面上的衍射斑.数值分析结果表明:毫米波段90°偏置抛物反射面天线对一定入射角范围内的波束,用平面接收阵列来代替曲面接收阵列是可行的.     

基于遗传算法的波束追踪和成型

介绍了遗传算法在波束追踪和成型中的应用,着重探讨了该方法在解决追踪连续移动信号的同时抑制固定强干扰的问题。提出了一种改进的二进制编码方法,该方法引入了若干参数用以控制解的精度和搜索空间。特别考虑了算法的收敛性和可靠性。仿真结果表明,该算法可以在跟踪快速移动信号的同时,有效地抑制一个固定强干扰。     

基于二阶扩展卡尔曼滤波理论的毫米波波束跟踪算法

毫米波(mm wave)通信中波束覆盖方向性给高速移动的终端设备(如高速车辆,火车和无人机)带来了巨大挑战.现有基于扩展卡尔曼滤波理论(extended Kalman filter theory,EKF)的波束跟踪算法存在估计精度较低的问题,为此,采用二阶扩展卡尔曼滤波理论(second-order extended ...     

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...     

毫米波前向斜射式集成天线的研究

本文从Ｙ．Ｔ．Ｌｏ等人提出的腔体模型理论出发，在８ｍｍ频段（设计频率３５．３ＧＨｚ）讨论了一种具有前向斜射特性的集成天线的设计方法，这种技术可以用于设计任意波束指向的毫米波微带天线阵列．实验证明设计是成功的．     

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.     

MIMO雷达发射波束成形技术研究

该文采用基于现代优化理论优化发射信号的互相关矩阵的方法来形成所期望的天线发射方向图以实现发射波束成形.建立了方向图设计的数学模型,通过最小化代价函数来获得数值优化结果.采用混合遗传算法来优化选择多输入多输出(MIMO)雷达相关信号的互相关矩阵,以实现向期望空间方向图的逼近.仿真结果证明了该方法的可行性和有效性.     

基于混合导频辅助的大规模MIMO上行链路信道估计

针对多小区多用户大规模MIMO上行链路传输,本文提出了一种基于混合导频的信道估计方案.通过在一个数据帧内设计时分导频及隐含导频两种导频格式,进行对信道参数的联合估计.相较传统的单一导频方案,混合导频可实现两种导频的优势互补.在天线数较大的前提下,分析推导出利用混合导频信道估计的上行链路吞吐率近似封闭解,从而明确了混合导频中时分导频与隐含导频的优化准则.仿真结果表明,时分导频适用于数据帧长较长的传输环境,隐含导频在数据帧长较短的情况下更具优势,而两者的结合可极大提高系统的性能.     

混合有-无源智能反射面辅助大规模MIMO安全传输

针对存在恶意窃听者的大规模MIMO网络安全传输问题,提出了一种混合有-无源智能反射面辅助的下行安全传输方法。受基站总发射功率、混合有-无源智能反射面功率和反射相位模量约束,讨论了最大化系统总保密速率的优化问题,该问题为多变量耦合的非凸优化。提出了基于逐次凸近似的主动波束成形和反射相位优化算法,首先利用交替优化算法将原始问题转变为两个单变量的子问题,然后采用逐次凸逼近或半定松弛算法分别求解每个子问题的最优主动波束成形和反射相位。仿真结果表明,相比传统的被动智能反射面辅助安全传输方案,提出的方案能够有效利用混合有-无源智能反射面高增益的技术优势,进一步提高级联链路的信道增益,获得更高的保密速率。     

一种大规模MIMO系统信道反馈算法

针对在大规模多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）系统中,信道状态信息（Channel State Information,CSI）反馈量过大以及反馈的CSI过时的问题,提出一种基于自回归（Autoregressive,AR）模型和主成分分析（Principal Component Analysis,PCA）方法的反馈算法。接收端进行信道估计获得CSI后,先利用AR模型预测出反馈所需时间之后的CSI,在此基础上计算压缩矩阵,然后利用PCA方法对预测的CSI进行压缩,再反馈给基站,最后基站端对接收到的CSI进行重构。从理论分析和仿真结果可以看出,该算法可以在降低反馈量的同时提高系统容量和信道恢复的准确性。     

高铁环境下基于大规模多入多出自适应波束成形的干扰对齐

随着高速铁路的快速发展,高铁用户对移动互联网的需求与日俱增。高铁环境下,信道处于快时变状态,列车速度越高,信道变化越快,信道状态信息(channel state information,CSI)存在严重的不准确性。针对此问题,首先对高铁环境下的CSI建模,通过统计特性与瞬时CSI对其进行动态修正。同时,为了保障高铁在运行过程中获得最佳的系统容量,还提出一种基于自适应波束成形的干扰对齐方法;该方法将天线分成两组,通过设计预编码,使干扰对齐到零空间,从而在接收端消除干扰。数值结果表明,所提的方法能很好地适应高速移动场景,达到最优的系统容量。     

Optimal Multipoint-to-Multipoint Transceiver Design with Massive MIMO Relay Station in OFDM Systems

Based on massive MIMO(multiple-input multiple-output)multipoint-to-multipoint(M2M) systems,in order to avoid pilot contamination and improve the performance of capacity,a pilot training transmission scheme was designed for pilot decontamination by utilizing orthogonal subcarriers of OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) during pilot transmission phase and a joint optimized transceiver design for multi-antenna user pairs was proposed during the data transmission phase.The massive M2 M system included a single relay station,multiple paired source nodes and destination nodes.Source nodes precoding matrices and relay station precoding matrix were jointly optimized by maximizing the weighted sum-rate in OFDM systems.After some mathematical manipulation to sum-rate,the cost function of sum-rate was expressed as quadratic optimizing expressions which could be solved by regular convex optimization softwares.Different from existing algorithms,the proposed precoding design was based on massive MIMO OFDM systems with multi-antenna users pairs together pilot decontamination transmission arrangement.Simulations indicate the effectiveness of the proposed optimal precoding system.The proposed scheme not only can reduce pilot contamination,but also can improve performance of bit-error-rate(BER) as well as sumrate contrast to existing algorithms.In addition,it shows that the proposed M2 M massive MIMO system works steadily when the number of users increases in large scale.     

大规模MIMO系统信道状态信息反馈开销降低方法

针对大规模多输入多输出(massive-multiple input multiple output,massive MIMO)系统,结合离散余弦变换(discrete cosine yransform,DCT)和快速傅里叶变换(fast fourier transform,FFT)基,研究了基于压缩感知的信道状态信息(channel state information,CSI)反馈开销降低方法。首先在用户端,该方法基于压缩感知理论对三维(three dimension,3D)CSI采用不同稀疏基组合进行表示,进而形成两种不同的观测矩阵对其进行观测,其中方法 1基于3D CSI直接形成观测矩阵,而方法 2则基于垂直维CSI和水平维CSI分别形成两个中间观测矩阵,进而通过Kronecker积形成最终观测矩阵。最后,将观测值经矢量化后反馈给基站端;基站端则通过正交追踪匹配算法(orthogonal matching pursuit,OMP)重构CSI。仿真结果表明,基于两种稀疏基的组合可以使得CSI反馈开销得到大幅度降低,同时,基于方法 1生成的观测矩阵所重构CSI性能明显优于基于方法2的。     

大规模MIMO系统中基于DFT信道估计的导频污染消除方案

在大规模MIMO系统中,当基站不存在协作时,随着基站天线数的无限增加,快衰落效应和非相关噪声都能被平均掉,导频污染成为制约大规模MIMO系统性能的瓶颈。基于此,本文提出了一种基于离散傅立叶变换(DFT)信道估计的导频污染消除方法,在时域信道冲击响应中通过DFT和IDFT变换把有用的信号长度之外的污染信号当成一个样本,利用有用信号之外的污染信号样本生成一个阀值,通过引入这个预设的判决阀值,筛选出有效的信道冲击响应,消除导频污染造成的干扰。改善了信道估计的性能。仿真结果表明,在大规模MIMO系统的信道环境下,本文提出的方法可以进一步提高信道估计的精度,提高大规模MIMO的性能。