毫米波大规模MIMO系统混合波束成形技术综述

毫米波通信和大规模多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）技术是5G的关键候选技术,在提高5G系统各项性能指标上潜力巨大。混合波束成形作为毫米波大规模MIMO系统中的关键点,能在系统性能和实现复杂度上取得较好平衡,受到业界和学术界广泛关注。首先给出了混合波束成形经典系统模型和常用信道模型,根据信道状态信息获取方式的不同,从基于理想信道条件和基于波束配对两个方面分析和归纳了现有的混合波束成形方案,最后指出了混合波束成形未来发展趋势以及尚未解决的难点。     

通信感知计算一体化波束赋形设计

结合通信感知一体化和空中计算的优点,提出了一种空口通信感知计算一体化技术,并通过对多天线雷达感知与空中计算波束赋形进行联合优化设计,从而在保障感知准确度的前提下最大化空中计算的准确度。通过仿真验证,并与传统波束赋形比较后可知,该设计可以有效地同时实现雷达感知与空中计算,显著提升频谱效率。     

智能反射面辅助的毫米波MIMO系统波束成形设计

智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS),也被称为可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)或大型智能表面(Large Intelligent Surface, LIS),通过重新配置无线通信传输环境,可以有效提高通信质量。考虑IRS辅助的毫米波多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)下行系统,通过采用流形优化(Manifold Optimization, MO)技术处理,协同优化IRS的无源波束成形、功率分配、预编码矩阵以及合并矩阵,以最大化多用户和速率。由于利用流形优化算法设计的最佳目标函数是非凸的,因此利用毫米波级联信道的内在结构,将非凸问题转换为更加容易处理的问题。仿真结果表明,所采用的MO方案能获得比最小均方误差(Minimum Mean Square Error, MMSE)方案以及随机相位方案更好的和速率性能。     

协作式中继增强MIMO通信系统的联合波束成形

本文对协作式中继辅助的多输入多输出(Multiple-input Muhiple-output,MIMO)通信中的联合波束成形问题进行了研究.首先推导了接收信噪比的下界,并基于该下界建立了联合波束成形的数学模型;然后推导了分布式波束成形的最优方案;最后设计了联合优化信源的多天线波束成形和协作式中继的分布式波束成形的算法,从而获得联合波束成形方案.计算机实验仿真表明所提联合波束成形方案获得明显的性能增益.     

分布式IRS辅助毫米波MU-MISO系统联合波束成形设计

为解决非视距场景下毫米波多用户多输入单输出(MU-MISO)系统下行链路的可靠性通信问题,提出一种分布式智能反射表面(IRS)辅助多用户通信的联合波束成形设计方案.考虑功率和恒模约束,以用户加权和速率最大为目标,将基站有源波束成形和多个IRS无源波束成形联合建模为非凸优化问题.利用闭式分式规划技术解耦该联合优化问题为易...     

基于深度学习的毫米波系统波束成形

针对高移动用户在毫米波系统中用户与基站之间频繁切换增大延迟开销问题,提出了一种新颖的集成深度学习协调波束成形(Deep Learning Coordinated Beamforming,DLCBF)解决方案.该方案通过协调多个基站同时为一个移动用户服务,接收用户上行导频序列和预编码码本训练模型,进而预测最佳下行波束向量...     

毫米波MIMO系统中迭代最小均方误差混合波束成形算法

混合波束成形结构能有效解决毫米波MIMO系统中射频链路受限的问题,但要设计性能较优的混合波束成形算法仍然存在困难.为了实现更高的频谱利用率,提出了一种性能较优的迭代最小均方误差(Alt-MMSE)混合波束成形算法.该算法利用数字矩阵的正交特性,首先进行初始数字矩阵设计,然后通过最小化发送信号与接收信号的均方误差不断迭代更新数字矩阵,在每一次迭代过程中,通过更新后的数字矩阵得到模拟矩阵的相位信息.仿真结果表明,与OMP混合波束成形算法和基于矩阵分解的混合处理方案相比,该算法具有更优的性能且更接近于纯数字波束成形.     

毫米波大规模MIMO系统波束旋转预编码设计

为解决毫米波大规模多输入多输出(MIMO)系统因功率泄漏导致的能量损耗问题,该文提出基于最小相位误差的波束旋转(MPE-BR)预编码方案。首先,采用基于相移器的波束选择网络,构建波束选择集合,系统中每个射频(RF)链通过选择多个波束达到收集泄漏功率的目的。然后,以最大增益波束为基准,根据最小相位误差准则确定波束选择集合的相位,将所选波束的信道增益近似对准同一方向,使得用户的接收信噪比(SNR)最大,从而提高系统性能。此外,该文对所提预编码算法进行了理论分析,推导了频谱效率上界和能量效率上界。实验验证了理论推导的正确性,仿真结果表明,所提方法具有接近无漏功率的和速率性能,与现有的算法相比,所提方案具有较好的频谱效率和能量效率性能。     

基于混合波束赋形的室内毫米波MIMO系统性能分析

混合波束赋形在射频模拟域波束赋形的基础上,通过在基带实现数字域波束赋形来进一步提高数据速率.本文针对基于混合波束赋形的室内毫米波MIMO（Multiple Input Multiple Output）系统进行性能分析,分别评估了迫零（Zero Force,ZF）接收机、最小均方误差（Minimum Mean Square Error,MMSE）接收机以及匹配滤波（Matched Filter,MF）接收机在基于码本的最优波束选择下的传输速率,并对接收机在不同的信道环境下进行性能评估.仿真结果表明,无论视距（Line-Of-Sight,LOS）传播路径是否被遮挡,MMSE接收机和ZF接收机在总发射功率较高时均具有接近容量的性能;在总发射功率较低时MMSE接收机的性能则略优于ZF接收机.相反,MF接收机始终保持较差的性能.系统可根据总发射功率大小以及接收机的实现复杂度来选取合适的接收机.本文所研究的系统可应用于实际室内无线个域网（Wireless Personal Area Networks,WPAN）以实现高速短距无线通信.     

毫米波宽带超表面MIMO天线北大核心CSCD

本文设计了一款毫米波宽带超表面MIMO天线。基于特征模分析设计了宽带超表面天线单元,从而使其组成的MIMO天线具有宽带特性。为了改善天线的隔离度,在天线单元之间引入了金属化通孔以及隔离金属条带。天线整体仅使用了一层介质基板,通过同轴探针进行馈电,结构简单且易于集成,具有低剖面的优点。仿真结果显示,在21.3～31GHz(37%)频段内,天线匹配良好,隔离度不低于20dB,并且带内最高可实现增益可达8.1dBi。     

An Efficient Hybrid Parabolic Equation – Integral Equation Method for the Analysis of Wave Propagation in Highly Complex Indoor Communication Environments

An efficient, full-wave computational technique to investigate the electromagnetic wave propagation within a complex building environment, resulting from contemporary indoor communication systems, is proposed. Unlike a standard ray-tracing technique, this new methodology is based on the parabolic wave equation (PE), appropriately modified to deal with the extremely wide-angle propagation cases, encountered in a typical wireless system of this kind. It is also successfully applied to model the field in the presence of walls, doors or other penetrable structures, taking into account the exact geometric configuration of the environment under consideration. Next, the PE technique is significantly enhanced by an integral equation formulation, in which the computed field in the interior of the walls and other obstacles is used as a secondary equivalent current source and a corrected version of the electromagnetic field is recalculated in the whole indoor environment. This combined approach has all the advantages of a full wave method, does not call for a highly dense mesh, and it also has moderate requirements of computational resources.     

抛物型波方程方法研究复杂环境 对雷达和通信传播的影响

复杂环境是制约雷达特别是机载雷达性能发挥的重要因素,也是通信系统设计需要考虑的关键问题.本文具体分析了我国对流层大气结构随时间和地域的分布特点,应用非线性动力学分形理论描述地海表面的空时变化特征,采用分步Fourier变换法数值求解抛物型波方程研究了不同大气剖面和地海粗糙面动态结构对雷达和通信系统的传播影响.     

基于SSFT-PE表面粗糙隧道电波传播研究

在高速隧道、矿井等电波通信中,隧道等通常建模为带介质损耗的波导。隧道壁的随机粗糙会对电波传播造成散射和衰减效应,当需要精确预测隧道中电磁分布预测时,通常需要考虑该影响。为了定量分析隧道壁的随机粗糙损耗,提出了一种基于抛物方程分步傅里叶解法的隧道电波传播计算方法,通过引入等效粗糙因子修正传统算法,得到可应用于表面粗糙隧道电波传播的SSFT-PE模型。利用所提方法分析5G频段下随机粗糙程度对电波传输的影响,结果表明:在典型的矩形和拱形隧道中,当随机粗糙标准差σ_h等于5 cm时,在0.5～2.5 GHz频段,随机粗糙带来额外约0.5 dB损耗;在2.5～3.6 GHz频段,随机粗糙带来额外2.1 dB损耗,在5G频段的损耗大于其他低频段;在相同仿真频率下,额外的损耗随着粗糙程度的增加而增加。     

基于圆柱抛物方程的城市环境电波预测模型

提出了一种三维实体重建技术与柱坐标抛物方程结合的城市环境电波传播预测方法.从数字地图中提取城市建筑物高程矢量数据,建立立体光刻文件的拓扑数据结构,将其转化为抛物方程模型对应的扇形栅格数据,实现城市建筑群的三维几何模型重构.同时结合聚类算法并利用城市影像信息对地表环境进行分类,对不同类型的地表媒质赋予不同电磁参数,实现真...     

海上大气波导环境下电磁波传播的抛物方程方法

抛物方程方法已经被广泛地应用于电磁波传播模型,并成为解决电磁波传播问题主要的工具。针对海上大气波导条件下的电磁波传播特性的研究,给出了适用的电磁波传播模型,根据模型计算了电磁波在波导中的传播衰减,同时对不同传播条件下的结果进行了比较和讨论,最后对传播模型进行了验证。     

基于抛物方程的海上电波传播研究

抛物方程已经被广泛地应用于电波传播预测模型,并成为解决电磁波传播问题的主要工具。针对目前大多数预测模型处理粗糙海面的不足,引进了一种能包含海面阴影效应的粗糙度修正因子,并由于电波在海面上传播主要受到蒸发波导和粗糙海面的影响,结合抛物方程和蒸发波导理论对海面上的电波传播进行了研究,利用PE模型计算了电波在蒸发波导中不同条件下的传播损耗,并分析了蒸发波导和粗糙海面对电波传播的影响。     

粗糙海面对电波传播的影响研究

蒸发波导能够部分陷获电磁波的传播,从而改变电磁波的传播特征,形成超视距传播,但是粗糙海面对电波传播的影响会削弱这种传播特性。基于抛物方程(PE)模型,采用包含粗糙海面阴影效应的反射系数来计算电波传播损耗,仿真结果略大于采用Miller-Brown模型做海面粗糙度修正的传播损耗值。表明当波长与浪高可比拟甚至远小于浪高时,粗糙海面的阴影效应对电波传播的影响不可忽略。     

抛物线方程中不规则地形的分段线性模型的研究与验证

主要研究了对流层电波传播过程中起伏地形的处理方法。阐述了抛物线方程中阶梯地形方法和分段线性方法,提出了新的初始场设置方法,并给出了算法。利用该方法,仿真计算了尖劈地形下电磁波传播问题,并与射线法和UTD方法的计算结果进行了比较。计算结果显示了分段线性方法的优越性。     

起伏地形双向抛物线方法的计算与验证研究

双向抛物线方法是复杂环境下电波传播计算中的一种重要方法,提出一种新的不规则地形下双向抛物线方程用于电波传播的计算方法,该算法在求解过程中记录了所有波源的历史路径,结合具体路径对双向抛物线方法进行相位修正,并在步进过程中,对不同极化下障碍物表面的边界条件进行了重新处理,对目前采用的阶梯模型进行了改进。在此基础上,提出使用矩量法来精确验证近距离不同极化下双向抛物线方法的计算精度。通过实例分析,证明了起伏地形下新算法计算的精确性。     

抛物方程SSFT解法的快速算法及其应用研究

为了快速预测三维复杂环境中雷达、移动基站等的覆盖性能,提出一种三维抛物方程方法即分步傅里叶变换(SSFT)解法的快速计算方法,并给出了具体公式推导.将SSFT解法快速算法的计算结果与双射线模型以及已有的奇偶分解法进行了对比,结果表明,其与另外两种方法的结果吻合很好,且与奇偶分解法相比,计算速度提高了近1.61倍,由此验...