毫米波混合波束成形技术研究

【摘要】：毫米波通信技术作为下一代(5G)动通信技术,引起了巨大的关注,毫米波频段能够提供高达GHz的可用频谱,在此基础上有希望使下一代移动通信的数据传输速率提高到Gbps以上,要达到这一目标,首先需要克服的是毫米波无线传播过程中,高于传统微波几个数量级的损耗和衰减。因此,毫米波通信系统必须利用大规模阵列天线,通过控制阵列天线获得波束成形增益来对抗过强的损耗和衰减,改善毫米波通信系统的频谱效率。在传统多天线系统中,多个数据流的波束成形,即预编码技术,是通过全数字方式在基带编码实现的。虽然全数字编码能够获得很高的波束成形增益,但如果要在毫米波通信系统中实现全数字编码的波束成形技术,则必须部署和收发天线数相等的收发机,鉴于毫米波通信系统中天线数量较多,对于实时信号处理的严格要求使得全数字实现不可行,另外,由于高额的成本和巨大的能耗,这种全数字编码的波束成形技术在毫米波通信系统中的实现也将受到较大的限制。在射频(RF)域实现模拟处理可以减小数字收发机的数量(小于收发天线数),收发机通过模拟移相器控制一定数量的天线,每个收发机产生一个波束并指向一个用户实现模拟波束成形,但当用户空间分布较密集或重合时,这种方法将带来严重的用户间干扰。针对这一问题,可通过在模拟波束成形前对多个数据流进行数字基带编码来提升性能,这种结构即混合波束成形系统;采用混合波束成形的毫米波通信系统可以有效地减小收发机的数量,降低波束成形的实现难度。论文的工作是基于混合编码结构,在毫米波通信系统中实现波束成形技术,主要内容如下:1.分析了毫米波信道特性,由于毫米波频段的路径损耗较为严重,导致毫米波传播的空间选择性有限,阵列天线的密集分布也使得天线阵元间呈现高相关性,因此空间不相关的瑞利模型不适用于毫米波信道。本文的研究中采用了稀疏信道模型,模型描述了分簇多径特性,即包含少量主径,以每条主径为中心的簇包含若干条子径,该信道能够很好地描述小范围(如室内)场景下毫米波的传播特性。2.基于全遍历改进的混合波束成形算法:算法分为RF编码码本搜索和基带编解码矩阵计算两部分;首先基于最大互信息量准则,通过遍历RF编码码本集合的方式搜索出收发端RF最优编解码矩阵,然后基于最优无约束编码准则,利用RF编解码矩阵计算收发端基带编解码矩阵,最后对发送信号进行基带编解码和RF编解码,实现收发端混合波束成形;仿真分析表明,改进算法在降低了搜索复杂度的情况下,能够取得不错的波束成形性能。3.基于多重信号分类(MUSIC)到达角(AoA)估计的混合波束成形算法:算法通过计算基带编解码矩阵和RF编解码矩阵实现;首先通过正交匹配追踪计算出发端RF编码矩阵,然后基于最大互信息量准则,计算出发端基带编码矩阵,对信号进行发端编码,通过信道后,接收端基于MUSIC算法对到达信号构造信号子空间和噪声子空间,并利用噪声子空间和信号子空间的正交性,在频域搜索谱峰,谱峰对应的角度即为接收信号到达角,利用到达角计算出收端RF解码矩阵,然后基于最大互信息量准则计算收端基带解码矩阵,最后实现收端波束成形;仿真分析表明,提出算法有着更低的复杂度,在采用大规模阵列天线的毫米波通信中,能够取得很好的性能。