毫米波大规模混合阵列中波达角的低复杂度估计
发布时间：2021-01-04 22:06
作为第五代移动通信（5th Generation Mobile Communication,5G）的关键技术,毫米波和大规模多输入多输出系统（Multiple-Input and Multiple-Output,MIMO）相辅相成,相得益彰。大规模MIMO的高阵列增益可以补偿毫米波段的强路损;而毫米波段的毫米级波长可以使大规模MIMO阵列在有限的布阵空间中容纳成百上千的天线阵子。考虑到射频（Radio Frequency,RF）组件的高功耗、成本以及毫米波阵面的有限空间,毫米波大规模MIMO阵列的全数字实现,即每个天线均配备RF组件,对于多数商业应用来说不实际。为了解决毫米波大规模MIMO的实现挑战,大规模数模混合阵列应运而生,已成为毫米波大规模MIMO的主要实现方式。其中,大规模部分连接型移相器混合阵列（其子阵模拟波束形成通过移相器实现）和Butler矩阵混合阵列（以Butler矩阵为子阵）由于硬件复杂度低、重构能力强以及抗故障能力强等优势脱颖而出,得到广泛关注和研究。精确波达角（Angle-of-Arrival,AoA）估计是大规模混合阵列的应用优势在实际中得以发挥的重要前提。然而...
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：153 页
【学位级别】：博士
【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 研究背景和意义
1.1.1 毫米波通信及其信道特征
1.1.2 大规模MIMO
1.2 毫米波大规模MIMO面临的实际挑战
1.2.1 大规模数模混合阵列
1.2.2 大规模混合阵列的波达角估计
1.3 研究现状
1.3.1 大规模移相器混合阵列中的低复杂度AoA估计
1.3.2 大规模多波束天线混合阵列中的AoA估计
1.4 本文研究内容及章节安排
第二章 大规模移相器混合阵列中AoA的无模糊估计
2.1 引言
2.2 系统模型和问题描述
2.2.1 系统和信号模型
2.2.2 问题描述——基于子阵互相关的AoA估计
2.3 子阵间传播相位差的无模糊估计
2.3.1 模拟波束形成方案
2.3.2 子阵间传播相位差的无模糊估计算法
2.4 AoA的无模糊估计
2.4.1 AoA的无模糊估计算法
2.4.2 关于特殊角度的讨论
2.5 算法性能分析
2.5.1 高信噪比下经典相位估计问题的渐进克拉美罗界
2.5.2 算法 2.1 中子阵传播相位差估计的MSELB
2.5.3 算法 2.2 中AoA估计的MSELB
2.5.4 算法运算量分析与对比
2.6 仿真结果与分析
2.7 本章小结
第三章 大规模移相器混合阵列的宽带AoA估计
3.1 引言
3.2 宽带信号模型与AoA估计问题
3.2.1 宽带信号模型
3.2.2 问题提出 —— 估计信噪比与误差放大倍数之间的矛盾
3.3 宽带子阵传播相位差的估计
3.3.1 宽带场景下子阵互相关的符号变化规律及模式
3.3.2 子载波间的最优积累 —— 最优子载波间隔
3.4 宽带AoA的无模糊估计
3.5 算法性能分析
3.5.1 算法 3.2 的AoA估计精度
3.5.2 对现有方法的扩展
3.5.3 算法运算量分析与对比
3.6 仿真结果与分析
3.7 本章小结
第四章 大规模Butler矩阵混合阵列中AoA的快速估计
4.1 引言
4.2 系统模型和问题描述
4.2.1 新型Butler矩阵收发器
4.2.2 Butler矩阵混合阵列信号模型
4.2.3 问题提出 —— Butler矩阵混合阵列中AoA的估计
4.3 Butler矩阵间传播相位差的快速且精确估计
4.3.1 基于Butler矩阵的宽波束综合方法
4.3.2 基于空间搜索的传播相位差估计方法
4.3.3 算法 4.1 步骤9中迭代次数的选取
4.4 Butler矩阵阵列的快速AoA估计
4.4.1 AoA与特定Butler波束之间的一一映射
4.4.2 AoA估计的抗噪声性能分析
4.4.3 抗噪声AoA估计算法
4.5 算法性能分析
4.5.1 算法 4.1 的估计性能分析
4.5.2 算法 4.2 中AoA估计的MSELB
4.5.3 运算量分析
4.6 仿真结果与分析
4.7 本章小结
第五章 大规模Butler矩阵混合阵列中AoA的精确估计
5.1 引言
5.2 信号模型及问题描述
5.3 基于差分波束的AoA估计
5.3.1 差分波束
5.3.2 AoA和最强差分波束对之间的一一映射
5.3.3 最强差分波束对的快速搜索
5.3.4 运算量和信令开销的分析
5.4 仿真结果与分析
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 论文研究工作总结
6.2 研究工作展望
附录A 第 二章的相关证明、推导和分析
A.1 引理 2.1 的证明
A.2 引理 2.2 的证明
A.3 引理 2.3 的证明
A.4 推论 2.1 的证明
A.5 （?）误差对（?）性能的影响
A.6 公式 （2-45） 的推导
附录B 第 三章的相关证明和推导
u{Hm（ρi,u）,} （= 2N）的推导"> B.1 Eu{Hm（ρi,u）,} （= 2N）的推导
B.2 引理B.1 及其证明
B.3 公式 （3-49） 的推导
附录C 第 四章的相关证明
C.1 定理 4.1 的证明
C.2 命题 4.1 的证明
附录D 第 五章的相关证明
D.1 引理 5.1 证明
D.2 式 （5-11） 的证明
参考文献
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]迭代优化最小化唯相位波束形成[J]. 吴凯,苏涛,李强. 电子与信息学报. 2017(03)
[2]具有固定反馈权的自适应宽带波束形成器设计[J]. 吴凯,苏涛,靳标,杨涛. 吉林大学学报(工学版). 2016(01)
[3]最大稀疏稳健恒定束宽波束形成器设计[J]. 吴凯,苏涛,李强,何学辉. 通信学报. 2015(09)
[4]全通型分数延时滤波器的设计[J]. 吴凯,苏涛. 西安电子科技大学学报. 2015(04)
博士论文
[1]大规模MIMO关键技术研究[D]. 王鹏彪.北京邮电大学 2018
[2]基于混合模拟与数字结构的规模天线阵列系统关键技术研究[D]. 李南希.北京邮电大学 2018
[3]5G毫米波大规模阵列信道参数提取与特性分析[D]. 冯瑞.山东大学 2018
[4]Massive MIMO与混合波束成型技术研究[D]. 武霄泳.北京邮电大学 2018
本文编号：2957453
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：153 页
【学位级别】：博士
【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 研究背景和意义
1.1.1 毫米波通信及其信道特征
1.1.2 大规模MIMO
1.2 毫米波大规模MIMO面临的实际挑战
1.2.1 大规模数模混合阵列
1.2.2 大规模混合阵列的波达角估计
1.3 研究现状
1.3.1 大规模移相器混合阵列中的低复杂度AoA估计
1.3.2 大规模多波束天线混合阵列中的AoA估计
1.4 本文研究内容及章节安排
第二章 大规模移相器混合阵列中AoA的无模糊估计
2.1 引言
2.2 系统模型和问题描述
2.2.1 系统和信号模型
2.2.2 问题描述——基于子阵互相关的AoA估计
2.3 子阵间传播相位差的无模糊估计
2.3.1 模拟波束形成方案
2.3.2 子阵间传播相位差的无模糊估计算法
2.4 AoA的无模糊估计
2.4.1 AoA的无模糊估计算法
2.4.2 关于特殊角度的讨论
2.5 算法性能分析
2.5.1 高信噪比下经典相位估计问题的渐进克拉美罗界
2.5.2 算法 2.1 中子阵传播相位差估计的MSELB
2.5.3 算法 2.2 中AoA估计的MSELB
2.5.4 算法运算量分析与对比
2.6 仿真结果与分析
2.7 本章小结
第三章 大规模移相器混合阵列的宽带AoA估计
3.1 引言
3.2 宽带信号模型与AoA估计问题
3.2.1 宽带信号模型
3.2.2 问题提出 —— 估计信噪比与误差放大倍数之间的矛盾
3.3 宽带子阵传播相位差的估计
3.3.1 宽带场景下子阵互相关的符号变化规律及模式
3.3.2 子载波间的最优积累 —— 最优子载波间隔
3.4 宽带AoA的无模糊估计
3.5 算法性能分析
3.5.1 算法 3.2 的AoA估计精度
3.5.2 对现有方法的扩展
3.5.3 算法运算量分析与对比
3.6 仿真结果与分析
3.7 本章小结
第四章 大规模Butler矩阵混合阵列中AoA的快速估计
4.1 引言
4.2 系统模型和问题描述
4.2.1 新型Butler矩阵收发器
4.2.2 Butler矩阵混合阵列信号模型
4.2.3 问题提出 —— Butler矩阵混合阵列中AoA的估计
4.3 Butler矩阵间传播相位差的快速且精确估计
4.3.1 基于Butler矩阵的宽波束综合方法
4.3.2 基于空间搜索的传播相位差估计方法
4.3.3 算法 4.1 步骤9中迭代次数的选取
4.4 Butler矩阵阵列的快速AoA估计
4.4.1 AoA与特定Butler波束之间的一一映射
4.4.2 AoA估计的抗噪声性能分析
4.4.3 抗噪声AoA估计算法
4.5 算法性能分析
4.5.1 算法 4.1 的估计性能分析
4.5.2 算法 4.2 中AoA估计的MSELB
4.5.3 运算量分析
4.6 仿真结果与分析
4.7 本章小结
第五章 大规模Butler矩阵混合阵列中AoA的精确估计
5.1 引言
5.2 信号模型及问题描述
5.3 基于差分波束的AoA估计
5.3.1 差分波束
5.3.2 AoA和最强差分波束对之间的一一映射
5.3.3 最强差分波束对的快速搜索
5.3.4 运算量和信令开销的分析
5.4 仿真结果与分析
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 论文研究工作总结
6.2 研究工作展望
附录A 第 二章的相关证明、推导和分析
A.1 引理 2.1 的证明
A.2 引理 2.2 的证明
A.3 引理 2.3 的证明
A.4 推论 2.1 的证明
A.5 （?）误差对（?）性能的影响
A.6 公式 （2-45） 的推导
附录B 第 三章的相关证明和推导
u{Hm（ρi,u）,} （= 2N）的推导"> B.1 Eu{Hm（ρi,u）,} （= 2N）的推导
B.2 引理B.1 及其证明
B.3 公式 （3-49） 的推导
附录C 第 四章的相关证明
C.1 定理 4.1 的证明
C.2 命题 4.1 的证明
附录D 第 五章的相关证明
D.1 引理 5.1 证明
D.2 式 （5-11） 的证明
参考文献
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]迭代优化最小化唯相位波束形成[J]. 吴凯,苏涛,李强. 电子与信息学报. 2017(03)
[2]具有固定反馈权的自适应宽带波束形成器设计[J]. 吴凯,苏涛,靳标,杨涛. 吉林大学学报(工学版). 2016(01)
[3]最大稀疏稳健恒定束宽波束形成器设计[J]. 吴凯,苏涛,李强,何学辉. 通信学报. 2015(09)
[4]全通型分数延时滤波器的设计[J]. 吴凯,苏涛. 西安电子科技大学学报. 2015(04)
博士论文
[1]大规模MIMO关键技术研究[D]. 王鹏彪.北京邮电大学 2018
[2]基于混合模拟与数字结构的规模天线阵列系统关键技术研究[D]. 李南希.北京邮电大学 2018
[3]5G毫米波大规模阵列信道参数提取与特性分析[D]. 冯瑞.山东大学 2018
[4]Massive MIMO与混合波束成型技术研究[D]. 武霄泳.北京邮电大学 2018
本文编号：2957453
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