超宽带和60GHz系统中波束成形技术研究

论文摘要

超宽带系统（Ultra-Wideband，UWB）和60GHz无线系统中，已应用了基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM）技术与基于多天线（Multi-antenna）技术的增强传输方案。在各类多天线技术中，波束成形（Beamforming，BF）技术通过利用发送和接收信号的方向性来抑制干扰，提高信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR），增加传输距离，以及提高数据的传输速率。业界认为波束成形技术有望成为UWB和60GHz系统的关键技术之一。与应用于蜂窝移动系统的阵列天线波束成形技术所不同，UWB和60GHz系统中信道显著的多径特性和空间方向功率约束对波束成形技术提出了不同的要求。本文主要研究了UWB系统和60GHz系统中多天线多载波传输的波束成形技术，各章内容简述如下：第一章首先对UWB和60GHz系统中波束成形技术的研究现状进行了简单梳理，然后介绍了论文的研究思路和结构。第二章先简述了采用波束成形技术的多天线多载波系统模型，其次分析UWB系统和60GHz系统的信道数学模型，最后讨论了不同的波束成形技术。第三章围绕60GHz系统的波束成形技术，结合最优波束成形（Optimal BF）算法和波束选择（Beam Switching，BS）算法，提出了混合波束成形算法。分别在功率增益和频谱效率准则条件下，从理论上分析了混合波束成形算法的性能，并与最优波束成形和波束选择的性能进行了简单比较。最后，分别从阵列天线类型，阵元数目，阵元数目与波束数目之间对应关系等方面，通过仿真讨论了它们对混合波束成形算法的功率增益和频谱效率的影响。第四章针对等效全向辐射功率（Equivalent Isotropic Radiated Power，EIRP）受限系统，在已有的波束成形算法基础上，提出了改善系统误码率性能的改进天线子集选择（Advanced Antenna Subset Selection，AASS）波束成形方案。其次，利用子载波相关性提出的子载波分组方案可以降低系统计算量，然后针对AASS算法采用的搜索方案进行了改进，进一步改善了系统性能。最后分别在UWB系统和60GHz系统中进行了仿真。论文最后一章对全文的研究工作进行了总结，并指出可能的后续研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与现状
• 1.2 课题来源与本文工作
• 1.3 本文结构及内容安排
• 第二章 超宽带与 60GHz 衰落信道的统计特征分析
• 2.1 引言
• 2.2 多天线多载波系统模型
• 2.3 系统信道分析
• 2.3.1 超宽带系统信道分析
• 2.3.2 60GHz 系统信道分析
• 2.4 波束成形技术类型
• 2.4.1 基于非码本的波束成形技术
• 2.4.2 基于码本的波束成形技术
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于平面阵列天线的 60GHz 系统波束成形技术
• 3.1 引言
• 3.2 60GHz 系统中平面阵列天线模型及分析
• 3.2.1 均匀线性阵列
• 3.2.2 矩形平面阵列
• 3.3 不同准则条件的波束成形算法
• 3.3.1 最优波束成形算法
• 3.3.2 波束选择算法
• 3.3.3 混合波束成形算法
• 3.4 性能仿真与分析
• 3.4.1 基于线性阵列的波束成形技术性能仿真
• 3.4.2 基于平面阵列的波束成形技术性能仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 EIRP 受限系统的波束成形技术
• 4.1 引言
• 4.2 EIRP 受限系统模型
• 4.3 限制条件下的波束成形算法
• 4.3.1 压缩本征波束成形算法
• 4.3.2 天线选择算法
• 4.3.3 平滑削减方案
• 4.4 天线子集选择算法及其改进
• 4.4.1 算法原理与流程
• 4.4.2 超宽带系统性能仿真与分析
• 4.4.3 60GHz 系统性能仿真与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文总结
• 5.1 本文的贡献
• 5.2 对下一步工作的建议和未来研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 本文作者已发表、录用和在审文章
• 本文作者在攻读硕士期间参加的科研项目