毫米波MIMO系统低功耗波束赋形技术研究

发布时间：2020-11-09 01:20

　　 毫米波MIMO通信系统提供了大量可用的频谱资源,且支持吉比特级的高速传输,因此得到了广泛的关注。针对毫米波MIMO通信中路径损耗严重的问题,通常采用波束赋形技术获取阵列增益以对抗路径损耗。然而对于毫米波MIMO通信系统而言,全数字波束赋形技术需要数量巨大射频链路,其信号处理复杂性和成本开销无疑对实际系统带来了极大的挑战。在此背景下,混合波束赋形技术应运而生。混合波束赋形技术将波束赋形分成数字域和模拟域两部分进行,大大降低了所需的射频链路数及实现复杂度。本文针对毫米波MIMO通信系统,从不同的波束赋形架构入手,重点研究低功耗的混合波束赋形技术,主要工作概括如下:第一,研究了低功耗的开关-反向器混合波束赋形架构,分析了架构特点并重构了该结构下的问题模型。针对该架构仅能提供有限相位控制的特点,且该架构下已提出的基于交叉熵(CE)的混合波束赋形算法复杂度较高的问题,结合马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)方法中的Gibbs采样思想,提出了基于Gibbs采样的混合波束赋形方案。该算法从初始样本出发,逐位置更新各个坐标上的元素,通过有限次迭代获得模拟波束赋形矩阵。仿真结果表明,所提算法在该架构下能够获得更高的频谱效率,且相较于CE算法复杂度更低。第二,借鉴相控阵中相位调制阵列(PMA)的原理,提出了一种新的基于PMA的混合波束赋形架构,通过引入时间自由度,利用低功耗的射频开关与延迟线代替模拟移相器实现模拟部分的波束控制。首先理论分析了该架构的性能,随后通过仿真证明了此架构低功耗、高精度相位控制以及等效幅度控制的优势。针对其打破了移相器恒模限制的特点,搭建了该结构下的混合波束赋形问题模型。针对该结构能在模拟部分实现等效幅相控制的特性,首先对相位提取ZF(PZF)波束赋形算法进行了改进,此外,结合粒子群(PSO)优化算法,提出了基于PSO的混合波束赋形算法,将模拟波束赋形矩阵的中间变量看做粒子,通过更新粒子群中粒子的速度和位置优化相位与时间变量,以此获得期望的波束赋形矩阵。仿真结果证明,所提混合波束赋形方案相对于传统混合波束赋形方案功耗更低,能量效率更高,且能够达到近似最优的频谱效率。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN928
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 论文结构安排
第二章 毫米波混合波束赋形理论基础
    2.1 波束赋形技术概述
        2.1.1 波束赋形原理
        2.1.2 混合波束赋形架构
    2.2 毫米波通信系统模型
        2.2.1 单用户系统模型
        2.2.2 多用户系统模型
    2.3 单用户混合波束赋形算法
        2.3.1 全数字波束赋形
        2.3.2 空间稀疏混合波束赋形
        2.3.3 仿真结果分析
    2.4 多用户混合波束赋形算法
        2.4.1 线性波束赋形算法
        2.4.2 仿真结果分析
    2.5 本章小结
第三章 基于Gibbs采样的混合波束赋形技术
    3.1 面向开关-反相器的混合波束赋形
        3.1.1 开关-反相器模型
        3.1.2 基于交叉熵的混合波束赋形算法
    3.2 马尔科夫链蒙特卡洛方法
        3.2.1 蒙特卡洛积分
        3.2.2 马尔科夫链
        3.2.3 Gibbs采样算法
    3.3 基于Gibbs采样的混合波束赋形方案
        3.3.1 技术原理与步骤
        3.3.2 复杂度分析
    3.4 仿真结果分析
    3.5 本章小结
第四章 基于相位调制的低功耗混合波束赋形
    4.1 相位调制阵列原理
    4.2 基于相位调制阵列的混合波束赋形架构
        4.2.1 系统模型
        4.2.2 性能分析
    4.3 基于幅度相位提取的低复杂度混合波束赋形算法
        4.3.1 问题模型
        4.3.2 算法实现
    4.4 基于粒子群优化的混合波束赋形算法
        4.4.1 粒子群优化概述
        4.4.2 算法实现
    4.5 仿真结果分析
    4.6 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 工作总结
    5.2 研究工作展望
参考文献
致谢
作者简介

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 杜旭;邓雅星;;TD-SCDMA系统下行波束赋形技术分析[J];中国新通信;2017年16期

2 徐啸涛;陈丽琴;周巧军;;混合波束赋形技术在4G通信系统中的性能研究[J];电子测量技术;2016年02期

3 吴文君;王文博;王健全;;多点协同系统中的协同波束赋形干扰抑制[J];北京邮电大学学报;2011年03期

4 孔俊霞;杨育红;;智能天线中的下行波束赋形[J];微计算机信息;2006年02期

5 王华龙;;TD-SCDMA系统下行波束赋形技术研究[J];数字技术与应用;2016年08期

6 张昕然;姚君妍;;大规模多天线阵列波束赋形技术研究[J];北京电子科技学院学报;2017年02期

7 谢振山;周志刚;;一种基于异构随机矢量的波束赋形方法[J];计算机应用与软件;2017年11期

8 邓南新;孟丽囡;;TD-SCDMA系统下行波束赋形技术研究[J];辽宁工业大学学报(自然科学版);2010年02期

9 邓永燕;周围;;CDMA系统下行波束赋形算法[J];电子质量;2010年09期

10 秦洪峰,曾召华;TD-SCDMA系统下行波束赋形技术研究[J];邮电设计技术;2004年07期

相关博士学位论文 前10条

1 和凯;移动通信天线宽频、多频及波束赋形研究[D];西安电子科技大学;2016年

2 张昕然;大规模天线阵列波束赋形关键技术研究[D];北京邮电大学;2019年

3 张凯;移动通信系统中的大规模MIMO技术研究[D];北京邮电大学;2019年

4 周园;大规模天线阵列的角度估计和波束赋形技术研究[D];北京理工大学;2017年

5 秦城;协作传输下的波束赋形技术研究[D];北京邮电大学;2017年

6 徐桂贤;大规模MIMO系统波束赋形技术研究[D];北京邮电大学;2017年

7 陈亚文;超密集云无线接入网中高能效协作传输技术研究[D];北京邮电大学;2018年

8 耿健;基于TDD的较大规模天线系统发端关键技术研究[D];北京邮电大学;2014年

9 董全;下一代无线网络的预编码研究[D];西安电子科技大学;2015年

10 何浩;多天线蜂窝系统干扰管理技术的研究[D];武汉大学;2012年

相关硕士学位论文 前10条

1 王洁文;基于FPGA的波束赋形原理与实现[D];北京交通大学;2019年

2 胡玥;3D MIMO波束赋形技术的研究[D];西安科技大学;2019年

3 徐浩;毫米波MIMO系统中混合波束赋形技术研究[D];重庆邮电大学;2018年

4 黄静月;毫米波系统中面向多播传输的模数混合波束赋形算法研究[D];上海交通大学;2018年

5 赵普;异构网中大规模MIMO场景的关键技术研究[D];上海交通大学;2016年

6 黄子轩;稀布天线阵近场波束赋形研究[D];电子科技大学;2019年

7 张砚秋;基于数模混合架构的波束赋形技术研究[D];电子科技大学;2019年

8 齐畅;5G超密集网络中干扰管理方案的研究[D];南京邮电大学;2019年

9 郭宁;毫米波MIMO系统低功耗波束赋形技术研究[D];西安电子科技大学;2019年

10 袁建国;Massive MIMO下行链路多用户配对及波束赋形算法研究[D];西安电子科技大学;2019年

本文编号：2875658