毫米波高速通信中窄波束接入技术研究

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随着大数据时代的到来,数据业务越来越多元化,海量的接入已经成为常态,用户体验度考验着通信系统设计要求,以用户为中心的设计准则逐渐被业界重视。对于越来越拥挤的低频段频谱资源,30-300GHz的毫米波频谱资源丰富,可提供高速、可靠的无线网络接入。然而毫米波传播损耗高,如何大概率保证窄波束的可靠性接入和补偿毫米波信号传播的功率损耗是本文的研究重点,波束赋形和基站选择技术能提高信道的等效增益,是毫米波通信系统中关键的技术。  在以用户为中心的分布式小区内,毫米波天线尺寸小,蜂窝小区内配有大量的毫米波微基站和天线单元可供用户选择性接入,为保证用户通信链路的可靠性和服务质量,一种很自然的方式是允许用户同时和多个微基站连接,以同一频率传输数据业务。针对这一通信场景,本文提出了基于有限信道信息反馈的基站和波束自适应选择的解决方案,避免了对信道状态信息的完整估计,同时解决了已有文献中最优基站数目选择的非自适应问题。  本文理论推导出了有限反馈下行链路波束赋形系统模型,提出了基于随机向量量化码本反馈的毫米波波束赋形算法,并通过与基于奇异值分解最优波束赋形以及等功率波束赋形算法仿真对比,当反馈信息B=6,64×4MIMO,10dB<SNR时,基于RVQ码本的有限反馈算法较等功率算法获得至少6dB的增益;当反馈比特B=4,B=6,B=8时,仿真表明在RVQ码本有限反馈波束赋形中,反馈信息B越大,算法的等效信道增益相应增大。同时,本文理论推导出了信号在接收端的平均有效信噪比表达式,从RVQ码本中选择最优的码字,最大化平均有效信噪比,用户能针对信道环境自适应选择与多个毫米波基站同时通信,根据小区内用户不同的运动状态,提出了两种以用户为中心的分布式小区自适应基站和波束选择算法(ABSBS(a)和ABSBS(b)。误码率和遍历容量仿真结果表明,对于64×4MIMO,B=6,12dB<SNR,ABSBS(a)算法性能优于固定数目的微基站,获得2dB-4dB信道增益;用户快速移动情况下,ABSBS(b)算法所需反馈信息更少,简单高效。与文献中经典的天线选择算法对比,解决了自适应问题;与最优选择算法的指数级复杂度对比,文中所提算法复杂度降为对数级。
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