论文总字数：30528字

摘 要

随着通信技术的发展以及第五代移动通信技术的到来，毫米波通信因其丰富的频谱资源而越发引起人们的关注。毫米波大规模MIMO通信系统通常采用混合波束成形。在基站处包含模拟波束成形和数字波束成形，在用户的接收处包含模拟合并和数字合并。本文首先对毫米波大规模MIMO通信系统的研究背景以及主要优势做了阐述，然后总结归纳了现有的数字预编码算法以及主要的混合波束成形的算法，主要分为基于理想信道条件的混合波束成形算法以及基于波束配对的混合波束成形算法。然后在此基础上给出了低复杂度、以消除通信过程中多用户干扰为目标的波束搜索方案，该方案在用户为单数据流的基础上，通过划分干扰用户以及非干扰用户进行初步的筛选，然后再对干扰用户集合进行波束搜索，选取符合门限条件的波束，从而确保了用户之间的波束无干扰，实现了较好的和速率性能。仿真结果表明，在信噪比较高时，本文方案比传统方案性能更优，验证了在消除用户干扰方面的效果。

关键词：毫米波通信；大规模MIMO；混合波束成形；波束搜索算法

Abstract

With the development of communication technology and the advent of the fifth generation of mobile communication technology, millimeter-wave(mmWave) communication has attracted more and more attention due to its rich spectrum resources. MmWave massive MIMO communication systems typically employ hybrid beamforming. Analog beamforming and digital beamforming are included at the base station, including analog combining and digital combining at the user's receiving location. In this paper, the research background and main advantages of today's mmWave massive MIMO communication system are expounded. Then the existing digital precoding algorithms and main hybrid beamforming algorithms are summarized, which are mainly divided into hybrid beamforming algorithms based on ideal channel conditions and hybrid beamforming algorithms based on beampairing. Then, a beam search scheme with low complexity is proposed to eliminate multi-user interference during communication. On the basis of single data stream, the scheme performs preliminary screening by dividing interfering users and non-interfering users. Then beam search is carried out on the set of interfering users to select the beam that meets the threshold conditions, so as to ensure that the beam between users has no interference and achieve a better performance of sum rate. Simulation results show that the proposed scheme has better performance than the traditional scheme when the signal-noise ratio is high, which verifies the effectiveness of eliminating user interference.

Keywords: millimeter wave communication; massive MIMO; hybrid beamforming; beam search algorithm

目 录

摘 要 I

Abstract II

英文缩略语及英中对照表 IV

第一章 绪论 1

1.1多用户毫米波MIMO系统的研究背景 1

1.2多用户毫米波MIMO系统所具有的优势 2

1.3多用户毫米波MIMO系统中的波束成形设计方法 3

1.4毫米波MIMO系统中混合波束成形的优点 5

1.5毫米波MIMO系统中混合波束成形面临的困难 6

1.6论文结构 6

第二章 毫米波大规模MIMO混合预编码算法 9

2.1引言 9

2.2毫米波大规模MIMO混合预编码算法综述 10

2.3基于已知CSI进行的混合预编码算法 11

2.3.1现有的数字预编码算法 11

2.3.2现有的混合波束成形算法 12

2.4基于波束配对的混合预编码算法 14

2.4.1码本设计 15

2.4.2用于波束搜索的算法 19

第三章 基于消除多用户干扰的混合波束成形 21

3.1常见的MIMO系统模型 21

3.2方案 23

3.3仿真结果与分析 26

第四章 总结与期望 31

4.1总结 31

4.2展望 31

参考文献 32

致 谢 37

英文缩略语及英中对照表

第一章 绪论

1.1多用户毫米波MIMO系统的研究背景

移动通信中持续增长的流量数据引起了对毫米波频段中大量未充分利用频谱的关注，这一比4G蜂窝网络的容量要高数十乃至数百倍的巨大优势让人们把其视为潜在可行解决方案。毫米波（Millimeter wave, mmWave）波段是商用消费类无线通信系统的前沿。毫米波的波段处于30 GHz到300 GHz之间，而大多数消费类无线系统的工作频率低于6 GHz。转向毫米波载波频率的主要好处是较大的频谱信道。较大的带宽信道意味着更高的数据速率。第五代无线网络的研究旨在满足和解决各种技术要求和挑战，日益受到大家的广泛关注。 Wireless World Research的一份报告显示，移动数据流量（至少）每年翻一番，据预测，到2020年，将有大约500亿台设备为社区服务，每人将有超过6台设备，其中不仅包括人工通信，还包括机器通信。为了适应这种通信，蜂窝网络必须大大增加其容量。在这方面，为了适应这种大规模通信，预计5G网络必须提供比现有系统高1000倍的容量。为了满足这些严格的5G要求并同时保持节能设计，毫米波的混合波束成形被设想为5G无线网络的组成部分[1]。

无线通信系统的不断增长的需求在很大程度上取决于频谱效率（Spectral efficiency, SE）和带宽。目前，所有无线技术都在300 MHz至3 GHz频段运行[2]。由于物理层技术已经触及香农容量[3]，唯一未开发的选项是系统带宽。因此，5G无线网络的关键在于如何利用3 GHz到300 GHz范围内的高频毫米波频段。与此同时，多输入多输出（Multiple input multiple output, MIMO）技术在发射机（Transmitter, TX）和接收机（Receiver, RX）上使用多个天线被认为是改善频谱效率的颇具前途的方法之一[4]。我们可以通过两种方式从MIMO改进频谱效率：1）基站（Base station，BS）可以在相同的时间——频率空间资源上与多个用户设备（User equipment, UE）通信，以及2）BS和每个用户之间可以有多个数据流。MIMO概念也因此从多用户（Multiple user, MU）MIMO演变为大规模MIMO，其中BS处的天线元件的数量可以达到数百或数千。大规模MIMO可以帮助减少由于波束成形增益引起的小规模衰落和所需的传输能量[5]。此外，大规模MIMO对于毫米波在通信中的应用至关重要，因为它通过利用波束成形增益对抗高路径噪声来获得足够的信噪比（Signal to noise ratio, SNR）。因此，毫米波与大规模多输入多输出通信一起可以额外访问30——300 GHz频段并改善频谱效率[6][7]。

1.2多用户毫米波MIMO系统所具有的优势

基于在每个BS处具有非常大量的天线并且在时分中利用信道互易性，毫米波大规模MIMO具有以下几个特征：

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