面向毫米波无线通信的波束成形关键技术研究
发布时间：2021-12-23 16:33
近年来,无线数据流量的显著增长推动了对无线电高端频率频谱的探索,作为其中的核心技术,毫米波通信备受关注。由于毫米波波长较短,路径损耗和穿透损耗较高,大规模天线阵列的波束成形技术对毫米波通信链路的构建和维护起着关键作用。毫米波有较宽的信道带宽,独特的信道特性和硬件限制,因此直接在毫米波通信上使用波束成形技术具有诸多挑战。现有的毫米波通信波速训练协议具有较高的复杂度和较低的准确性,急需低复杂度、高精度的波速训练方案;而且当部署更大的天线阵列来服务多用户时,波束训练造成巨大的开销,同时为更好服务多用户通信,会出现一个波束上区分不同用户的问题。面对上述问题,本文针对面向毫米波无线通信的波束成形关键技术开展相关研究,主要工作和创新总结如下:1.针对单用户毫米波波束训练,为了减少训练开销,本文提出了一种基于压缩感知的位置辅助快速毫米波波束训练方法。为了降低用户端定位误差的影响,该方法利用定位误差的统计信息来划分出用户端所在的关键区域,然后基站发射波束覆盖该区域,接着用户使用压缩感知方法找到最佳波束来直接设计波束成形。仿真结果表明,该方法不仅具有极低的波束训练复杂度,而且性能接近上界。2.针对毫米波...
【文章来源】：北京邮电大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：104 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－?１固定权重的波束成形框架??
?北京邮电大学工学博士学位论文???此需要对权重向量不断进行递归更新。自适应天线阵列可以利用有效的信号处理??算法根据多径和干扰信号来连续处理天线权重发射波束［７１］。如图２－２所示的自适??应信号处理模块会不断更新天线权重，基于指定的误差最小化标准确定最佳权向??量，使波束在所需方向上动态转向。传统的算法是需要有一个参考信号来计算波??束成形，但实际盲估计算法并不知道波束方向，则需要估计ＤｏＡ，从接收到的信??号里估计到其余信息。??放大器?Ｙ移相器??０???＾?＾?一输出??八■?■车??■?■??■?■??—［＞—一―＾—??号处理??图２－２自适应波束成形框架??在时域中，天线权重既可以使用时延元件，也可以在模拟基带波束成形或模??拟ＲＦ波束成形中等效地对信号进行相移＾，７３］。数字波束成形是在数字基带上使??用数字信号处理器来设计波束成形，具有更大的自由度来进行波束成形处理，完??成最优化的波束成形。数字波束成形是需要每个天线都连着ＲＦ链，但是当天线??足够多的时候会导致功耗增加。波束成形同样可以在频域上进行，需要通过变换??域工具将信号转换到在频域上处理，最后再逆变换成原信号［７３］。??波束成形技术在很大程度上取决于发射机和接收机处理信号能力、无线通信??信道特性以及发射信号的带宽。在发射机处中的信号源和辐射元件之间采用波束??预编码器，根据接收机与发射机之间的角度，将信号电磁波聚焦集中发射到接收??１２??
?北京邮电大学工学博士学位论文???线单元（即覆盖大规模ＭＩＭＯ和小型阵列）的ＭＩＭＯ而制定的，但该方法尤其??适合大规模ＭＩＭＯ。因此混合收发器引起学者的注意，提出了多种混合收发器的??结构方案［８＼??数字预编码?模拟预编码??ｎ?ｊ??Ｄｉｇｉｔａｌ?；?｜?；?｜??Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ?■?｜?Ｚｒｘ｜＿ｒ＼?Ｙ??Ｉ?１??－Ｊ?＾?ｉ?天线??Ｃｈａｉｎ??■????｜?■????｜???｜??！?ｉ??图２－３混合波束成形框架??２．２毫米波波束训练标准??本节介绍当前在ＩＥＥＥ标准中６０ＧＨｚ无线通信中采用的毫米波波束训练算??法，即?ＩＥＥＥ?８０２．１５．３ｃ?ＷＰＡＮ［８１］和?ＩＥＥＥ?８０２．１１ａｄ?ＷＬＡＮ［８２］标准。??ＩＥＥＥ?８０２．１１ａｄ?ＷＬＡＮ?和?ＩＥＥＥ?８０２．１５．３ｃ?ＷＰＡＮ?的波束训练［３９，８１，８２］是基于两??阶段理论来实现的，即粗粒度波束训练（在ＩＥＥＥ?８０２．１１ａｄ中称为扇区扫描，在??ＩＥＥＥ?８０２．１５．３ｃ中为称为低分辨率波束训练）和细粒度波束训练（在ＩＥＥＥ?８０２．１１?ａｄ??中的称为波束细化以及在ＩＥＥＥ?８０２．１５．３ｃ中被称为高分辨率波束训练）。两个协??议都考虑发射端波束成形和波束响应，第一阶段根据波束搜索协议确定最佳的粗??粒波束，下一阶段（细粒度波束训练），使用相同类型的协议来识别每个细粒度??１４??
本文编号：3548813
【文章来源】：北京邮电大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：104 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－?１固定权重的波束成形框架??
?北京邮电大学工学博士学位论文???此需要对权重向量不断进行递归更新。自适应天线阵列可以利用有效的信号处理??算法根据多径和干扰信号来连续处理天线权重发射波束［７１］。如图２－２所示的自适??应信号处理模块会不断更新天线权重，基于指定的误差最小化标准确定最佳权向??量，使波束在所需方向上动态转向。传统的算法是需要有一个参考信号来计算波??束成形，但实际盲估计算法并不知道波束方向，则需要估计ＤｏＡ，从接收到的信??号里估计到其余信息。??放大器?Ｙ移相器??０???＾?＾?一输出??八■?■车??■?■??■?■??—［＞—一―＾—??号处理??图２－２自适应波束成形框架??在时域中，天线权重既可以使用时延元件，也可以在模拟基带波束成形或模??拟ＲＦ波束成形中等效地对信号进行相移＾，７３］。数字波束成形是在数字基带上使??用数字信号处理器来设计波束成形，具有更大的自由度来进行波束成形处理，完??成最优化的波束成形。数字波束成形是需要每个天线都连着ＲＦ链，但是当天线??足够多的时候会导致功耗增加。波束成形同样可以在频域上进行，需要通过变换??域工具将信号转换到在频域上处理，最后再逆变换成原信号［７３］。??波束成形技术在很大程度上取决于发射机和接收机处理信号能力、无线通信??信道特性以及发射信号的带宽。在发射机处中的信号源和辐射元件之间采用波束??预编码器，根据接收机与发射机之间的角度，将信号电磁波聚焦集中发射到接收??１２??
?北京邮电大学工学博士学位论文???线单元（即覆盖大规模ＭＩＭＯ和小型阵列）的ＭＩＭＯ而制定的，但该方法尤其??适合大规模ＭＩＭＯ。因此混合收发器引起学者的注意，提出了多种混合收发器的??结构方案［８＼??数字预编码?模拟预编码??ｎ?ｊ??Ｄｉｇｉｔａｌ?；?｜?；?｜??Ｐｒｅｃｏｄｉｎｇ?■?｜?Ｚｒｘ｜＿ｒ＼?Ｙ??Ｉ?１??－Ｊ?＾?ｉ?天线??Ｃｈａｉｎ??■????｜?■????｜???｜??！?ｉ??图２－３混合波束成形框架??２．２毫米波波束训练标准??本节介绍当前在ＩＥＥＥ标准中６０ＧＨｚ无线通信中采用的毫米波波束训练算??法，即?ＩＥＥＥ?８０２．１５．３ｃ?ＷＰＡＮ［８１］和?ＩＥＥＥ?８０２．１１ａｄ?ＷＬＡＮ［８２］标准。??ＩＥＥＥ?８０２．１１ａｄ?ＷＬＡＮ?和?ＩＥＥＥ?８０２．１５．３ｃ?ＷＰＡＮ?的波束训练［３９，８１，８２］是基于两??阶段理论来实现的，即粗粒度波束训练（在ＩＥＥＥ?８０２．１１ａｄ中称为扇区扫描，在??ＩＥＥＥ?８０２．１５．３ｃ中为称为低分辨率波束训练）和细粒度波束训练（在ＩＥＥＥ?８０２．１１?ａｄ??中的称为波束细化以及在ＩＥＥＥ?８０２．１５．３ｃ中被称为高分辨率波束训练）。两个协??议都考虑发射端波束成形和波束响应，第一阶段根据波束搜索协议确定最佳的粗??粒波束，下一阶段（细粒度波束训练），使用相同类型的协议来识别每个细粒度??１４??
本文编号：3548813
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