大规模天线波束赋形的到达角估计研究

摘要

大规模多输入多输出(Massive Multiple Input Multiple Output，大规模MIMO)技术是未来第五代移动通信系统的候选技术之一。通过波束赋形技术在发射端对数据进行先加权后发送的操作，使得大规模MIMO形成窄的发射波束，将主要能量对准在接收端的目标用户，提升频谱资源的复用能力和各用户的频谱效率。成功进行波束赋形技术的关键之一是获得精确的信源到达角信息。然而，当基站的天线部署从MIMO转变成大规模MIMO的过程中，对到达角信息进行精确估计的算法提出了新的挑战。尽管现存有多种方法可以进行到达角估计，但采用的研究模型大多限于均匀线阵或简单的矩形阵列、环形阵列。在大规模天线阵列系统的场景下，对二维到达角估计的研究仍存有较大空白。本文针对大规模天线阵列系统，提出了适用于波束赋形技术的到达角估计算法，可以进行俯仰角-方位角的二维联合估计，算法具有低复杂度、高估计精度的特点。本文的主要创新点归纳如下:
　　针对三种大规模天线阵列阵型进行了系统建模，并对不同阵型的覆盖能力和角度分辨能力进行了比较分析。研究了大规模天线波束赋形技术呈现出的新特性:定向波束维度扩展和波束分辨能力提高。通过对形成最佳权向量的三种约束准则的推导，阐明了波束赋形技术和到达角估计的关系。
　　针对波束赋形技术中的到达角估计，研究了两类估计算法:多重信号分类算法(Multiple Signal Classification，MUSIC)和借助旋转不变性的信号参数估计技术(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques, ESPRIT)。借助数学理论推导和实际室内测量数据，对算法进行性能评估并提出大规模阵列波束赋形中到达角估计算法的设计准则。
　　针对大规模均匀矩形阵列，采用酉EPSRIT算法实现俯仰角和方位角的二维联合估计。因为算法具有高精度、低复杂度、去相干、对二维角度自动配对等优点，使到达角的估计性能在大规模天线阵下的表现十分优异。利用蒙特卡洛仿真实验，深入研究了天线阵型、信源数量和阵元数目对算法性能的影响。根据性能分析，在大规模天线阵列中，方位角比俯仰角更容易受到天线阵型的影响。提出以阵列分辨率为准则分析俯仰角和方位角在角度估计性能上出现的差异，并通过理论推导进行量化表达。最后，借助对到达角估计特性的研究，为大规模天线阵列的部署设计提出了可行的方案。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景

1．2 研究现状分析

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 发展趋势

1．3 论文主要研究内容及创新点

1．4 论文结构安排

2．1 引言

2．2 阵列模型的前提及假设

2．3 阵列模型

2．3．1 均匀线阵模型

2．3．2 均匀圆阵模型

2．3．3 平面矩形阵模型

2．3．4 天线阵型的综合比较

2．4 本章小结

3．1 引言

3．2 波束赋形描述模型

3．3 波束赋形最佳权向量

3．3．1 最小均方误差准则

3．3．2 最大信噪比准则

3．3．3 线性约束最小方差准则

3．3．4 约束准则的综合比较

3．4 波束赋形呈现方式

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 MUSIC类到达角估计算法

4．2．1 常规MUSIC算法

4．2．2 求根MUSIC算法

4．3 ESPRIT类到达角估计算法

4．3．1 常规ESPRIT算法

4．3．2 LS-ESPRIT算法

4．3．3 TLS-ESPRIT算法

4．4 算法性能分析和比较

4．4．1 影响到达角估计的因素

4．4．2 基于理论分析的算法比较

4．4．3 基于室内测量的算法比较

4．5 本章小结

5．1 引言

5．2 酉ESPRIT到达角估计算法

5．3 仿真实验和性能分析

5．3．1 天线阵型对算法性能的影响

5．3．2 信源数量对算法性能的影响

5．3．3 阵元数目对算法性能的影响

5．3．4 俯仰角和方位角的估计性能比较

5．4 算法的应用前景

5．5 本章小结

结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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