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毫米波MIMO系統(tǒng)低功耗波束賦形技術(shù)研究

發(fā)布時(shí)間:2020-11-09 01:20
   毫米波MIMO通信系統(tǒng)提供了大量可用的頻譜資源,且支持吉比特級(jí)的高速傳輸,因此得到了廣泛的關(guān)注。針對(duì)毫米波MIMO通信中路徑損耗嚴(yán)重的問(wèn)題,通常采用波束賦形技術(shù)獲取陣列增益以對(duì)抗路徑損耗。然而對(duì)于毫米波MIMO通信系統(tǒng)而言,全數(shù)字波束賦形技術(shù)需要數(shù)量巨大射頻鏈路,其信號(hào)處理復(fù)雜性和成本開(kāi)銷(xiāo)無(wú)疑對(duì)實(shí)際系統(tǒng)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。在此背景下,混合波束賦形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生;旌喜ㄊx形技術(shù)將波束賦形分成數(shù)字域和模擬域兩部分進(jìn)行,大大降低了所需的射頻鏈路數(shù)及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。本文針對(duì)毫米波MIMO通信系統(tǒng),從不同的波束賦形架構(gòu)入手,重點(diǎn)研究低功耗的混合波束賦形技術(shù),主要工作概括如下:第一,研究了低功耗的開(kāi)關(guān)-反向器混合波束賦形架構(gòu),分析了架構(gòu)特點(diǎn)并重構(gòu)了該結(jié)構(gòu)下的問(wèn)題模型。針對(duì)該架構(gòu)僅能提供有限相位控制的特點(diǎn),且該架構(gòu)下已提出的基于交叉熵(CE)的混合波束賦形算法復(fù)雜度較高的問(wèn)題,結(jié)合馬爾科夫鏈蒙特卡洛(MCMC)方法中的Gibbs采樣思想,提出了基于Gibbs采樣的混合波束賦形方案。該算法從初始樣本出發(fā),逐位置更新各個(gè)坐標(biāo)上的元素,通過(guò)有限次迭代獲得模擬波束賦形矩陣。仿真結(jié)果表明,所提算法在該架構(gòu)下能夠獲得更高的頻譜效率,且相較于CE算法復(fù)雜度更低。第二,借鑒相控陣中相位調(diào)制陣列(PMA)的原理,提出了一種新的基于PMA的混合波束賦形架構(gòu),通過(guò)引入時(shí)間自由度,利用低功耗的射頻開(kāi)關(guān)與延遲線代替模擬移相器實(shí)現(xiàn)模擬部分的波束控制。首先理論分析了該架構(gòu)的性能,隨后通過(guò)仿真證明了此架構(gòu)低功耗、高精度相位控制以及等效幅度控制的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)其打破了移相器恒模限制的特點(diǎn),搭建了該結(jié)構(gòu)下的混合波束賦形問(wèn)題模型。針對(duì)該結(jié)構(gòu)能在模擬部分實(shí)現(xiàn)等效幅相控制的特性,首先對(duì)相位提取ZF(PZF)波束賦形算法進(jìn)行了改進(jìn),此外,結(jié)合粒子群(PSO)優(yōu)化算法,提出了基于PSO的混合波束賦形算法,將模擬波束賦形矩陣的中間變量看做粒子,通過(guò)更新粒子群中粒子的速度和位置優(yōu)化相位與時(shí)間變量,以此獲得期望的波束賦形矩陣。仿真結(jié)果證明,所提混合波束賦形方案相對(duì)于傳統(tǒng)混合波束賦形方案功耗更低,能量效率更高,且能夠達(dá)到近似最優(yōu)的頻譜效率。
【學(xué)位單位】:西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:碩士
【學(xué)位年份】:2019
【中圖分類(lèi)】:TN928
【文章目錄】:
摘要
ABSTRACT
符號(hào)對(duì)照表
縮略語(yǔ)對(duì)照表
第一章 緒論
    1.1 研究背景與意義
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
    1.3 論文結(jié)構(gòu)安排
第二章 毫米波混合波束賦形理論基礎(chǔ)
    2.1 波束賦形技術(shù)概述
        2.1.1 波束賦形原理
        2.1.2 混合波束賦形架構(gòu)
    2.2 毫米波通信系統(tǒng)模型
        2.2.1 單用戶(hù)系統(tǒng)模型
        2.2.2 多用戶(hù)系統(tǒng)模型
    2.3 單用戶(hù)混合波束賦形算法
        2.3.1 全數(shù)字波束賦形
        2.3.2 空間稀疏混合波束賦形
        2.3.3 仿真結(jié)果分析
    2.4 多用戶(hù)混合波束賦形算法
        2.4.1 線性波束賦形算法
        2.4.2 仿真結(jié)果分析
    2.5 本章小結(jié)
第三章 基于Gibbs采樣的混合波束賦形技術(shù)
    3.1 面向開(kāi)關(guān)-反相器的混合波束賦形
        3.1.1 開(kāi)關(guān)-反相器模型
        3.1.2 基于交叉熵的混合波束賦形算法
    3.2 馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法
        3.2.1 蒙特卡洛積分
        3.2.2 馬爾科夫鏈
        3.2.3 Gibbs采樣算法
    3.3 基于Gibbs采樣的混合波束賦形方案
        3.3.1 技術(shù)原理與步驟
        3.3.2 復(fù)雜度分析
    3.4 仿真結(jié)果分析
    3.5 本章小結(jié)
第四章 基于相位調(diào)制的低功耗混合波束賦形
    4.1 相位調(diào)制陣列原理
    4.2 基于相位調(diào)制陣列的混合波束賦形架構(gòu)
        4.2.1 系統(tǒng)模型
        4.2.2 性能分析
    4.3 基于幅度相位提取的低復(fù)雜度混合波束賦形算法
        4.3.1 問(wèn)題模型
        4.3.2 算法實(shí)現(xiàn)
    4.4 基于粒子群優(yōu)化的混合波束賦形算法
        4.4.1 粒子群優(yōu)化概述
        4.4.2 算法實(shí)現(xiàn)
    4.5 仿真結(jié)果分析
    4.6 本章小結(jié)
第五章 總結(jié)與展望
    5.1 工作總結(jié)
    5.2 研究工作展望
參考文獻(xiàn)
致謝
作者簡(jiǎn)介

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本文編號(hào):2875658

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