本文關(guān)鍵詞：毫米波混合波束成形技術(shù)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：毫米波通信技術(shù)作為下一代(5G)動通信技術(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)微波幾個數(shù)量級的損耗和衰減。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,多個數(shù)據(jù)流的波束成形,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,對于實(shí)時信號處理的嚴(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(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,每個收發(fā)機(jī)產(chǎn)生一個波束并指向一個用戶實(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,這種方法將帶來嚴(yán)重的用戶間干擾。針對這一問題,可通過在模擬波束成形前對多個數(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),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RF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,最后對發(fā)送信號進(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,能夠取得不錯的波束成形性能。3.基于多重信號分類(MUSIC)到達(dá)角(AoA)估計(jì)的混合波束成形算法:算法通過計(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,對信號進(jìn)行發(fā)端編碼,通過信道后,接收端基于MUSIC算法對到達(dá)信號構(gòu)造信號子空間和噪聲子空間,并利用噪聲子空間和信號子空間的正交性,在頻域搜索譜峰,譜峰對應(yīng)的角度即為接收信號到達(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,提出算法有著更低的復(fù)雜度,在采用大規(guī)模陣列天線的毫米波通信中,能夠取得很好的性能。
【關(guān)鍵詞】：毫米波 混合波束成形 稀疏信道 波束搜索
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN928
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 符號對照表11-12
• 縮略語對照表12-16
• 第一章 緒論16-20
• 1.1 研究背景與現(xiàn)狀16-18
• 1.1.1 毫米波通信特性16-17
• 1.1.2 現(xiàn)階段波束成形技術(shù)17-18
• 1.2 研究內(nèi)容及安排18-20
• 第二章 毫米波波束成形技術(shù)分析20-36
• 2.1 陣列天線技術(shù)20-23
• 2.1.1 均勻直線陣天線20-22
• 2.1.2 均勻平面陣天線22-23
• 2.2 毫米波信道分析23-31
• 2.2.1 IEEE信道模型23-27
• 2.2.2 IMT-A信道模型27-30
• 2.2.3 稀疏信道模型30-31
• 2.3 IEEE協(xié)議波束成形31-34
• 2.3.1 扇區(qū)掃描階段32-33
• 2.3.2 波束精煉階段33-34
• 2.4 本章小結(jié)34-36
• 第三章 基于波束搜索的混合波束成形算法研究36-52
• 3.1 稀疏信道下的混合編碼36-38
• 3.2 基于全遍歷的波束搜索算法38-39
• 3.3 基于有效功率的波束搜索算法39-41
• 3.3.1 有效功率計(jì)算39-40
• 3.3.2 波束搜索準(zhǔn)則40-41
• 3.3.3 搜索復(fù)雜度分析41
• 3.4 基于全遍歷改進(jìn)的波束搜索算法41-46
• 3.4.1 改進(jìn)搜索算法原理42-44
• 3.4.2 搜索算法復(fù)雜度分析44-46
• 3.5 仿真分析46-50
• 3.5.1 誤碼率分析46-48
• 3.5.2 頻譜效率分析48-50
• 3.6 本章小結(jié)50-52
• 第四章 基于矩陣運(yùn)算的混合波束成形算法研究52-66
• 4.1 稀疏信道下的混合編碼52-53
• 4.2 SVD最優(yōu)無約束編碼算法53-54
• 4.3 正交匹配追蹤編碼算法54-56
• 4.3.1 發(fā)端編碼算法54-55
• 4.3.2 收端解碼算法55-56
• 4.4 基于MUSIC到達(dá)角估計(jì)編碼算法56-59
• 4.4.1 分簇信道模型與到達(dá)角估計(jì)57
• 4.4.2 基于MUSIC的射頻編碼57-59
• 4.4.3 射頻編碼與正交子空間59
• 4.5 算法實(shí)現(xiàn)及仿真分析59-65
• 4.5.1 算法步驟60-61
• 4.5.2 復(fù)雜度分析61
• 4.5.3 仿真分析61-65
• 4.6 本章小結(jié)65-66
• 第五章 總結(jié)與展望66-70
• 5.1 論文總結(jié)66-67
• 5.2 進(jìn)一步研究工作67-70
• 參考文獻(xiàn)70-76
• 致謝76-78
• 作者簡介78-79

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本文編號：438645