毫米波波束成形快速搜索算法研究

摘要

近年来，随着多媒体应用业务的不断发展，无线通信应用的数据流量持续增长，为了解决无线链路容量增加的问题，适应无线通信日益增长的传输速率需求，避免信道拥挤和相互干扰，室内及室外的毫米波通信技术已经成为部署高速数据链路的新前沿。 毫米波通信虽具有通信容量大、保密性好、传输质量高的优点，但其也存在一定的局限性。毫米波通信最基本挑战是在如此高的频段中进行通信会引起极高的路径损耗，为了弥补这一重要的链路预算差距，需要采用联合的收发波束成形技术形成方向性很强的窄波束以提供大的天线阵列增益。由于采用大规模天线阵列，要获得完整的信道状态信息（Channel State Information,CSI）成本昂贵并且十分困难，特别是在多用户多输入多输出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)的情况下，信道估计的精确度会受到更加严重的影响。相较于需要通过接收端反馈的CSI来动态调整天线的自适应波束成形技术，基于固定码本的模拟波束训练更易于实现，其关键在于快速有效的在预先设计好的码本中寻找到适应于当前信道条件的最佳收发波束对。本文对基于固定码本的毫米波波束成形技术的快速搜索算法进行了一些研究，主要工作安排如下： （1）在基于码本的波束搜索中，为了解决穷举搜索耗时严重的问题，本文提出一种基于分层码本的分层波束搜索算法以实现收发波束的快速对准，降低波束搜索的复杂度。在发送端天线发射总功率受限和单根天线发射功率受限两种不同的情况下，对比视距(Line of Sight,LOS)和非视距(Non-Line of Sight,NLOS)两种不同信道条件下不同分层码本性能的差异，并研究分层搜索算法中，搜索复杂度相同的单边搜索、改进的单边搜索与交叉搜索三种不同搜索算法的性能差异，得出最佳的分层搜索方式。在此基础上，本文进一步提出了LOS信道下进一步降低搜索复杂度并提高搜索成功率的单端搜索方式，并通过理论分析和结果验证得出了分层码本在分层搜索复杂度一定时的最佳分层方案。 （2）针对对齐结构分层码本，低层码本的波束增益低，波束边界角处增益相对更低，且上层码本波束的边界角在下层码本波束中仍是边界角，导致采用对齐结构的分层码本产生的搜索错误大概率集中于低层码本波束边界角附近，在上层码本搜索中由于噪声干扰导致的搜索错误在下层搜索中无法得到纠正，直接导致最终搜索结果的失败，从而给分层搜索算法的准确性带来了一定的损失。因此，本文为了改善这种情况，提出了一种非对齐结构的分层码本，并根据非对齐码本结构调整分层搜索中每层所检测的波束个数，与对齐结构的分层码本相比，非对齐结构分层码明显提高了在LOS信道与NLOS信道下分层搜索算法的成功率。为了充分利用毫米波的信道特点，实现多路复用增益，本文进一步将非对齐结构分层码本应用于多波束搜索，并通过增加过采样层搜索，大幅提高了多波束搜索的准确性。

目录

声明

缩略词表

符号说明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 波束成形技术研究现状

1.3 论文结构与安排

第二章 毫米波波束成形基础

2.1 毫米波波束成形系统

2.1.1 均匀直线天线阵列

2.1.2 波束成形系统结构

2.1.3 信道模型

2.2 波束成形码本设计

2.2.1IEEE 802.15.3c码本设计

2.2.2 基于N相位的波束成形码本设计方案

2.2.3 基于离散傅里叶变换的码本

2.3 波束搜索算法

2.3.1IEEE 802.15.3c波束搜索算法

2.3.2IEEE 802.11ad搜索算法

2.4 本章小结

第三章 分层码本搜索算法

3.1 分层码本设计

3.1.1 分层码本设计的两个准则

3.1.2 基于ARV的分层码本设计

3.1.3 联合子阵的分层码本设计

3.2 分层搜索算法

3.2.1 波束搜索准则

3.2.2 分层搜索算法

3.2.3 性能分析

3.3 分层搜索算法的最佳分层方式

3.3.1 LOS信道下性能更优的分层搜索方式

3.3.2 基于不同分层因子的分层码本最佳分层原则

3.4 本章小结

第四章 基于非对齐结构的分层码本和分层多波束搜索算法

4.1 非对齐结构的分层码本

4.1.1 对齐结构分层码本存在的问题

4.1.2 基于旋转码本的非对齐结构分层码本

4.1.3 基于非对齐结构分层码本的分层搜索算法

4.1.4 仿真结果与分析

4.2 基于非对齐结构分层码本的多波束搜索

4.2.1 分层多波束搜索的原理

4.2.2 多波束搜索的性能仿真与结果分析

4.2.3 增加过采样层的多波束搜索

4.3 本章小结

第五章 结束语

5.1 本文工作总结和主要贡献

5.2 未来工作展望

致谢

参考文献

个人简历

攻读硕士学位期间的研究成果