基于数模混合架构的波束赋形技术研究

发布时间：2020-05-13 10:10

【摘要】：虚拟现实、自动驾驶等新兴技术的出现对移动通信数据业务流量提出了更高的需求,5G网络支持的峰值速率可以达到20Gbps,频谱效率也将得到极高的提升。然而传统的低频频段不能提供足够的传输带宽,高频的毫米波段逐渐成为学术界研究的热点。大规模MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术作为5G移动通信核心技术之一可以通过在基站端配置大规模的天线阵列,服务于多个用户的方式来提高系统的频谱效率。将毫米波通信和大规模MIMO系统相结合是5G通信技术研究的一个重点方向。本文首先介绍了毫米波信道的特性和基本模型,接着对基于毫米波信道的两种传统MIMO系统-全数字波束赋形系统和纯模拟波束赋形系统进行了探讨。由于全数字波束赋形架构中基站端需要使用和天线数目相同的射频(Radio Frequency,RF)链,这种方案只适用于小规模的天线架构体系。而纯模拟波束赋形阵列上缺乏幅度的控制,其性能相比于全数字的波束赋形系统要差。故数模混合波束赋形系统更加适用于毫米波MIMO系统,在降低系统复杂度的同时也能提高频谱效率。论文第三章对传统的MIMO数字域波束赋形算法进行了深入的阐述,其中包括基于破零(Zero-Forcing,ZF)、最小均方误差(Minimum Mean Square Error,MMSE)、块对角化(Block Diagonalization,BD)、信漏噪比(Signal to Leakage and Noise Ratio,SLNR)的波束赋形算法,并对其性能进行了横向对比,分析了这些算法各自的优势和存在的局限性。论文第四章首先介绍了传统的基于单用户的数模混合波束赋形技术,根据正交匹配追踪算法提出了基于不同度量码本的改进算法,在原方案的基础上降低了算法的复杂度。在基于正交约束和相位提取的数模混合波束赋形算法中改进了数字波束赋形矩阵的求解思路,以复杂度换取了性能的提高,提高了系统的频谱效率。论文第五章介绍了基于多用户场景的数模混合波束赋形技术,提出了基于共轭转置的混合波束赋形算法和基于奇异值分解的波束赋形算法。算法的核心思想是最大化模拟等效信道矩阵对角线上元素,以共轭转置的方法求出发射端的模拟波束赋形矩阵。相比传统方案需要进行迭代搜索得到模拟波束赋形矩阵,所提方案其等效信道做数字波束赋形获得的增益更多,系统获得的可达速率更高。
【图文】：

系统模型图,波束赋形,系统模型

图 2-1 全数字波束赋形系统模型y H x n HDs n (2-6)n 为加性高斯白噪声，服从均值为 0、方差为2 的高斯分布。然而，在毫米波大规模 MIMO 系统中，全数字波束赋形架构中需要让基站端使用和天线数目相同的 RF 链，这在毫米波 MIMO 系统中难以实现，这种系统模型只适用于小规模的天线架构系统中。2.2.2 纯模拟波束赋形系统模型纯模拟的波束赋形系统中一个天线子阵列为一个通道，连接着一个 AD/DA 转换器和一条 RF 链，如图 2-2 所示。即在射频链上连接一个模拟移相网络，通过改变发射信号的相位来进行模拟波束赋形，相比于全数字波束赋形需要给每一根天线配置一条 RF 链，大大减小了系统的开销和硬件成本。令 1RFN ，接收端的信号可以表示为：

系统模型图,波束赋形,纯模,系统模型

图 2-1 全数字波束赋形系统模型y H x n HDs n (n 为加性高斯白噪声，服从均值为 0、方差为2 的高斯分布。然而，在毫米波大规模 MIMO 系统中，全数字波束赋形架构中需要让基站使用和天线数目相同的 RF 链，这在毫米波 MIMO 系统中难以实现，这种系统型只适用于小规模的天线架构系统中。2.2.2 纯模拟波束赋形系统模型纯模拟的波束赋形系统中一个天线子阵列为一个通道，连接着一个 AD/DA换器和一条 RF 链，如图 2-2 所示。即在射频链上连接一个模拟移相网络，通过变发射信号的相位来进行模拟波束赋形，相比于全数字波束赋形需要给每一根线配置一条 RF 链，大大减小了系统的开销和硬件成本。令 1RFN ，接收端的号可以表示为：
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5

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