毫米波波束管理的设计与研究

毫米波是第五代移动通信系统的重要通信技术,因其频谱特性可以利用大带宽承载大量信息,有效提升系统的吞吐量。高频段毫米波传输具有高损耗性,且受环境影响较大,为了支持非视距和移动性,必须支持准确且实时的波束跟踪以确保信号传输质量。波束管理的目的是使得基站与终端之间发送与接收波束对准以提高链路的性能。文中根据3GPP协议规范设计了波束管理方案,包括以下几方面的内容:波束扫描、波束测量、波束上报、波束指示、波束失败恢复。     

5G无人机应用中的毫米波波束管理问题研究

随着无人机技术在建筑、能源、农业和公共事业等领域的广泛应用,对无人机通信基础链路提出了新的需求,无人机与5G移动通信的结合将是无人机产业发展的大趋势。5G网络中的中低频段利用率越来越高,研究5G网络中的毫米波高频段应用到无人机是未来无人机发展的新方向。文章对5G无人机应用中毫米波波束管理涉及的相关问题进行了论述,首先阐述了无人机应用场景及通信能力要求,其次研究了5G NR中波束管理的流程,最后对5G无人机在波束管理面临的问题及解决方案进行探讨。     

未来毫米波移动宽带通信系统探析

无线数据业务的爆炸式增长,对无线通信系统的网络容量提出了更高的要求,增加可用频谱资源是满足未来无线通信系统中网络容量需求的重要手段。本文分析对毫米波频带的信道特性、关键技术、链路预算、应用场景等方面进行分析,说明了毫米波频段在移动宽带通信系统中具有广阔的使用前景。     

毫米波下行多用户系统安全混合波束成形算法

毫米波混合波束成形结构受到日益广泛的认可,但缺乏以安全性为着眼点的混合波束成形算法研究,特别是当窃听者具有多用户译码能力时,系统安全性能无法得到保障。针对上述问题,该文基于人工噪声辅助的思想提出一种毫米波下行多用户系统安全混合波束成形算法。首先,将混合波束成形矩阵的模拟部分和数字部分解耦合独立求解,在充分考虑信道特性的基础上,通过最大化用户接收信号能量和迫零思想分别设计有用信号的模拟和数字波束成形矩阵;然后,通过SVD分解设计人工噪声的基带数字预编码矩阵,将人工噪声置于合法用户零空间。仿真结果表明,人工噪声辅助的安全混合波束成形算法有效解决了存在具有多用户译码能力窃听者时系统的安全问题。

     

一种毫米波宽带宽波束双极化微带天线

针对宽波束天线在5G毫米波宽角扫描阵列的应用,设计了一款基于接地金属柱的毫米波双极化微带天线单元。该天线具有低剖面、宽带、宽波束等优点。天线采用双“H”型缝隙耦合馈电,通过寄生贴片与开槽基板共同辐射展宽波束宽度,通过调节接地金属柱结构改变输入阻抗展宽阻抗带宽。实测结果表明,该天线的3 dB波束宽度在24.5～27.5 GHz的频带内(电压驻波比小于1.8)均大于130°,交叉极化比大于18 dB,两个端口之间的隔离度在频带内均高于26 dB。测试结果与仿真结果吻合较好。     

60 GHz毫米波通信中一种新的波束搜索算法

采用毫米波进行信号传输,使多天线技术集成实现成为可能,继而可利用阵列天线波束赋形技术。然而,当天线阵元数增多时,将导致最优波束对的搜索算法复杂度急剧增加。该文充分利用不同数目阵元产生的波束特性,提出一种基于划区而治的逐步细化高效搜索算法;通过逐步增加使能天线数目,有效缩小搜索空间,最终实现最优波束对搜索。相比于现有方案,该算法能显著降低搜索过程中信令传输及能量消耗,仿真结果进一步验证了该算法的有效性。     

毫米波通信低复杂度波束选择和用户调度算法

针对毫米波混合波束成形系统中用户调度方案复杂度过高的问题,提出两种低复杂度的波束选择和用户调度联合优化算法。混合波束成形架构使得用户调度问题面临着新的挑战,变成了模拟波束选择和用户调度的联合优化问题。考虑发送端无法获得完美信道状态信息的实用场景,采用基于固定码本的波束训练方案获取等效信道状态信息,引入调用指示函数将联合优化问题建模成非凸组合优化规划,分别以粒子群优化和贪婪算法为核心,提出两种低复杂度的次优解决方法。仿真结果表明,相较穷举搜索,所提算法能在性能和复杂度之间取得很好的折中。      

基于分布式联邦学习的毫米波通信系统波束配置方法

针对超密集组网中毫米波通信系统复杂的波束配置问题,该文提出一种基于分布式联邦学习(DFL)的波束配置算法(BMDFL),旨在利用有限的波束资源实现用户覆盖率最大化。考虑到传统集中式学习存在用户数据安全问题,基于分布式联邦学习框架构建系统模型,从而减少用户隐私信息的泄露。为了实现波束的智能化配置,引入双深度Q学习算法(DDQN)训练系统模型,并通过马尔可夫决策过程将长期的动态优化问题转化为相应的数学模型进行求解。仿真结果从系统的网络吞吐量和用户覆盖率方面验证了该方法的有效性和鲁棒性。     

毫米波移动通信中基于AUKF的波束跟踪算法

针对移动毫米波通信场景中收发波束存在角度偏差时接收信号质量急剧下降的问题,提出一种基于自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)原理的波束跟踪算法.针对低复杂度对于移动场景的适用性,该算法设计了一种有效的波束跟踪方案,在模拟波束形成架构中通过训练一个波束对以跟踪一条电磁波路径来保持有效的毫米波通信.通过引入自适应调节因子,在系统...     

5G及其演进中的毫米波技术

第五代移动通信(5G)低频段(Sub-6GHz)已开始商用,5G毫米波技术也逐渐成熟,预计将于2022年开始商用。第六代移动通信(6G)的研究也已启动,而且关于6G的愿景以及核心技术的论文也开始增多。本文主要讨论毫米波技术在5G及未来6G中的应用及核心作用。     

5G毫米波端到端性能测试技术研究

面向5G毫米波大规模阵列天线基站,创新提出了端到端性能测试系统。从技术原理、硬件架构、系统校准这几个维讨论了如何完成毫米波基站的性能验证。依据3GPP定义的信道模型,仿真了暗室静区中的最关键指标角度功率谱相似度百分比,并且给出了指标建议。     

一种应用于5G毫米波通信的双极化有源相控阵模组

针对5G毫米波通信,研制了一种双极化有源相控阵天线模组。厚度为2 mm的多层PCB正面印制阵列天线,在其背面集成多通道波束成形芯片,通过中间层实现天线与芯片的互连以及供电、控制等。测试结果表明,研制的板状4×4双极化相控阵模组在E面和H面均实现了不小于±40度的波束扫描范围（不大于3 dB的电平下降）和低于-18 dB的归一化交叉极化电平,在24～27.5 GHz的频率范围内实现了V极化和H极化分别为42.6～45.7 dBm和43.5～46.1 dBm的等效全向辐射功率（EIRP）。     

5G毫米波通信中基于波束赋形的节能机制

毫米波通信技术尽管能够满足第五代移动通信技术(5 G)的设计指标,但是毫米波在传输过程中的路径损耗严重影响了其传输性能,需要使用波形赋形技术来集中传输的能量以削弱路径损耗带来的影响,而传统的非连续接收(DRX)机制应用在波束赋形系统中会导致波束失准,在5G系统中已不再适用.针对以上问题,文章提出一种长周期可调整的定向D...     

基于PCIe+X86系统的毫米波信号实时处理研究及FPGA实现

为了满足毫米波5G信号采集传输控制系统中对前端射频芯片的控制以及5G数据到上位机的高速传输的需求,设计了一套基于FPGA的高速采集系统。实现了基带数据的高速传输,测试结果验证了设计方案的可行性。该系统可允许用户通过PCIe总线访问FPGA中的用户配置寄存器,同时该系统可对前端射频产生的不高于4 GB/s的连续或非连续上行数据进行实时采集,同时可以将上位机中的下行数据以不少于4 GB/s的速率写入FPGA侧的DDR4。     

5G毫米波在超高速磁浮交通中的应用展望

在接近真空的管道以600 km·h^-1以上的速度运行的超高速磁悬浮系统已经成为长距离交通需求解决方案的研究热点,其特殊的运行环境对运行控制和无线通信提出了新的要求。在5G新技术中,毫米波通信以其带宽极宽、抗干扰能力强、设备体积小、可实现终端定位等特点,成为超高速磁悬浮交通无线通信技术的可行方案。基于此,对5G毫米波技术在超高速磁悬浮交通中的应用进行展望,首先分析超高速磁悬浮交通运行控制和无线通信的需求,其次描述毫米波技术实现无线通信和定位的原理和应用,最后提出超高速磁悬浮系统中5G毫米波通信的网络架构和技术方案。     

一种面向B5G初始接入过程的增强型波束管理机制设计

波束管理是毫米波通信的重要研究内容,5G NR（New Radio）协议中已完整设计了用户在初始接入和连接状态下与基站确定最佳通信波束的流程,然而B5G(Beyond Fifth Generation)场景将使用52.6 GHz以上甚至更高的通信频率,需要更大规模的天线单元对抗路损,导致波束管理在初始接入过程中的信令开销和时延急剧增加。为此,在5G NR协议现有框架的基础上,针对52.6 GHz以上的高频段重新设计了一种专用于波束扫描的信号块（Beam Sweeping Block,BSB）,并提出一种两阶段增强型波束管理机制,用于在初始接入过程中快速确定用户和基站的最佳通信波束,进而完成同步和小区搜索。仿真结果表明,相对于NR中现有的波束管理机制,所提出的增强型波束管理方案可在保证接入性能的前提下,大幅降低初始接入时延。     

毫米波MIMO通信感知一体化联合波束成形设计北大核心CSCD

考虑一个毫米波多输入多输出（Multiple-InputMultiple-Output,MIMO）通信感知一体化系统,同时进行多目标感知与多用户通信。首先,基于毫米波MIMO几何信道模型,在满足总功率和多用户信干噪比的约束下,最小化MIMO感知发射波束图匹配误差和互相关图。然后,针对建立的联合波束成形设计问题,采用半正定松弛算法进行求解,得到通信感知一体化波束成形矩阵。最后,仿真结果验证了联合波束成形设计的有效性。     

5G波束赋形优化的典型场景立体覆盖研究

5G波束赋形技术是5G NR满足增强移动宽带(eMBB)、超高可靠低时延(uRLLC)以及大规模机器类通信(mMTC)三大场景的核心技术之一.本研究采用大规模波束赋形增益计算方法对大规模波束赋形技术的实现原理、CSI反馈机制、波束扫描和波束管理的实现机制进行分析,研究发现波束赋形技术可以对水平和垂直方向进行扫描,增加了...     

毫米波视距MIMO安全通信技术研究

移动通信和信息社会的高速发展对宽带高速数据传输提出了较高的要求,而毫米波多输入多输出（multiple-input multiple-output,MIMO）技术成为实现高速安全数据传输的重要技术途径.考虑到一些特殊的需求和应用场景,比如对偏远地区的覆盖,构建应急通信系统,特别是军事宽带战术互联网,基于空中移动平台的毫米波MIMO技术成为当前研究的一个热点.本文充分调研国内外相关文献资料,阐述了毫米波视距（line-of-sight,LoS）MIMO信道建模、天线阵列优化、混合波束成形设计以及物理层安全等相关技术的当前进展、存在的挑战,并指出未来的研究方向,推动基于空中平台的毫米波MIMO系统的工程化应用.