毫米波MIMO系统中混合波束赋形技术研究

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随着移动通信技术的不断发展,人们对无线通信传输速率的要求越来越高。与此同时,无线用户的指数增长也对无线通信造成了严峻的挑战。而毫米波MIMO通信系统能提供丰富的频谱资源、提高传输速率。毫米波通信的显著特点是路径损耗严重,因此考虑使用波束赋形技术抵抗信号传输过程中的路径损耗。基于上述分析,本文将分别针对毫米波单用户MIMO系统和多用户MIMO系统的混合波束赋形问题,设计性能接近纯数字波束赋形算法的混合波束赋形算法。本文的研究重点如下:1.分析毫米波的物理特性、传输特性,构建适合毫米波通信的无线信道模型。研究低频段MIMO系统中经典的单用户、多用户纯数字波束赋形算法,为混合波束赋形技术的研究作理论铺垫。2.为了进一步提升单用户MIMO系统的频谱效率,获得稳定的系统性能,提出一种迭代最小均方误差(Alternating Minimum Mean Square Error,Alt-MMSE)混合波束赋形算法。该算法利用纯数字矩阵更新模拟矩阵,将得到的模拟矩阵作为下次迭代的初始条件,经过多次迭代获得数字/模拟混合波束赋形矩阵。仿真结果表明,所提Alt-MMSE算法明显优于正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)混合波束赋形算法,并且相较于矩阵分解混合处理算法(Matrix Decomposition based Hybrid Processing,MD-HP),性能更接近纯数字波束赋形算法的性能。3.针对毫米波多用户MIMO系统中用户间干扰问题,提出一种块对角化混合波束赋形算法(Hybrid Beamforming based on Block Diagonalization,BD-Hy)。该算法首先设计模拟矩阵集合,获得模拟矩阵的全局解,然后构造等效信道矩阵,最后利用块对角化方法获得数字矩阵。另外,基于数字/模拟矩阵与纯数字矩阵的欧氏距离,提出一种最小化欧氏距离混合波束赋形算法(Hybrid Beamforming based on Minimum Euclidean Distance,ME-Hy)。仿真结果表明,所提BD-Hy算法和ME-Hy算法的性能均优于OMP多用户混合波束赋形算法,且BD-Hy算法能明显降低用户间干扰,ME-Hy算法在假设用户间干扰被消除时能大幅度提高频谱效率。
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