A Novel Hybrid Beamforming Algorithm with Unified Analog Beamforming by Subspace Construction Based on Partial CSI for Massive MIMO-OFDM Systems
混合波束成形（HB）已被广泛研究，以减少大规模多输入多输出（MIMO）系统中昂贵的射频（RF）链的数量。然而，先前关于HB的工作限于单个用户设备（UE）或单个UE组，采用不能应用于正交频分复用（OFDM）系统中在不同频率资源中服务的多个UE组的频率平坦的第一级模拟波束成形（AB）。针对大规模MIMO-OFDM系统，提出了一种基于所有用户空间协方差矩阵（SCM）知识的统一AB的HB算法，以支持多组用户。所提出的HB方法具有更少数量的RF链，可以实现超过95%的全数字波束成形性能。此外，提出了一种新的实用的子空间构造（SC）算法的基础上的部分信道状态信息来估计所需的SCM。所提出的SC方法可以提供超过97%的性能的完美SCM的情况下。利用所提出的方法，可以实现显著的成本和功率节省，而不会造成大的性能损失。此外，所提出的方法可以应用于大规模MIMO-OFDM系统中的时分双工和频分双工。
2016-11-02 cs.IT math.IT
Reduced-Feedback Opportunistic Scheduling and Beamforming with GMD for MIMO-OFDMA
作者先前已经提出了用于减少反馈MIMO-OFDMA下行链路系统的启发式调度和波束成形方案，其中每个子载波的MIMO信道被分解成分层的空间子信道。已经证明，与传统方案中针对每个子载波的一个波束形成矩阵（BFM）相比，可以通过返回关于来自每个MT的所有子载波的仅一个波束形成矩阵（BFM）的信息来实现显著的反馈减少。然而，由于先前提出的信道分解是基于奇异值分解导出的，因此所得到的系统性能受到与最小奇异值相关联的子信道的损害。为了克服这一障碍，本文提出了基于几何平均分解的信道分解的改进的机会调度和波束形成方案。除了固有的优势，减少反馈，所提出的方案可以实现改善系统性能的MIMO信道分解成空间子信道更均匀分布的信道增益。数值结果证实了所提出的机会调度和波束形成方案的有效性。
2009-06-22 cs.IT math.IT
Multi-User Flexible Coordinated Beamforming using Lattice Reduction for Massive MIMO Systems
在多用户大规模多输入多输出（MU-Massive-MIMO）系统中，预编码算法的应用受到发射天线数必须大于或等于接收天线总数的维数约束。针对过载MU-Massive-MIMO系统中的维数约束问题，提出了一种格基约简（LR）辅助的灵活协作波束形成（LR-FlexCoBF）算法。一个随机的用户选择方案与建议LR FlexCoBF扩展其应用到MU-Massive-MIMO系统与任意过载水平。仿真结果表明，所提出的LR-FlexCoBF预编码算法在比特出错率（BER）和和速率性能方面都有明显的改善。
2014-12-23 cs.IT math.IT
Joint Robust Transmit/Receive Adaptive Beamforming for MIMO Radar Using Probability-Constrained Optimization
针对多输入多输出（MIMO）雷达的发射和接收信号导向矢量同时存在高斯和任意分布失配的情况，提出了一种基于概率约束优化的MIMO雷达发射/接收联合鲁棒自适应波束形成方法。利用对偶理论还推导出了概率约束的紧下界。所提出的概率约束鲁棒波束形成问题是一个非凸的NP-困难问题。然而，我们将其成本函数重新表示为双二次函数，而概率约束分为发送和接收部分。然后，提出了一种基于二阶锥规划的块坐标下降法来解决双凸问题。仿真结果表明，与最坏情况和其他现有的最先进的MIMO雷达联合发射/接收鲁棒自适应波束形成方法相比，所提出的波束形成方法具有更好的鲁棒性。
2015-08-10 cs.IT math.IT
Massive MIMO Performance Comparison of Beamforming and Multiplexing in the Terahertz Band
在本文中，我们比较了两个主要的MIMO技术，波束成形和复用，在太赫兹（THz）波段的性能。THz波段的主要问题是其巨大的传播损耗，这是由电磁波的分子吸收引起的巨大信号衰减引起的。为了克服路径损耗问题，已经建议在网络中采用大规模MIMO，并且期望在几米内的距离内提供Tbps。在这种背景下，波束成形最近被研究为主要技术，以利用太赫兹中的MIMO并克服非常高的路径损耗，假设太赫兹通信信道是视距（LoS）并且没有显著的多径射线。另一方面，最近的研究还表明，众所周知的分子吸收的能量可以立即以相同的频率重新辐射。这种再辐射信号与主信号相关，并且可以为通信信道提供丰富的散射路径。这意味着即使在THz频带的LoS场景中也可以实现显著的MIMO复用增益。我们的仿真结果揭示了一个令人惊讶的观察，MIMO复用可能是一个更好的选择比MIMO波束成形在一定条件下的太赫兹通信。
2017-10-26 cs.IT math.IT
A joint channel estimation and beamforming separation principle for massive MIMO systems
本文证明在多用户 MIMO 系统中，将波束成形与信道估计分离在一般条件下不损失最优性，最优处理可分解为 MMSE 信道估计与 MMSE 波束成形，适用于集中式和分布式架构。
2025-07-11 cs.IT math.IT
Robust Beamforming for Physical Layer Security in BDMA Massive MIMO
在本文中，我们设计了鲁棒波束形成，以保证物理层安全的多用户波束分多址（BDMA）大规模多输入多输出（MIMO）系统，当考虑到信道估计误差。借助于人工噪声（AN），提出了一种在保证合法用户和窃听者具有不同信干噪比（SINR）的同时，最小化基站（BS）发射功率的设计方案。严格证明了在BDMA大规模MIMO方案下，初始非凸优化问题可以等价地转化为凸半定规划问题，从而保证最优秩1波束形成解。在此基础上，我们进一步推导出了最优波束形成方向和最优波束形成功率分配的封闭形式，从而大大降低了计算复杂性，使所提出的设计方案具有实际应用价值。仿真结果验证了该算法的有效性。
2017-11-29 cs.IT math.IT
Interference-Nulling Time-Reversal Beamforming for mm-Wave Massive MIMO in Multi-User Frequency-Selective Indoor Channels
毫米波（mm-wave）和大规模MIMO已经被提出用于下一代无线系统。然而，这些技术的实施存在许多公开的问题。特别地，波束成形在mm波系统中是必要的，以便对抗高传播损耗。然而，传统的波束控制在具有频率选择性衰落的富散射多径信道中并不总是合适的，例如在室内环境中发现的那些。在这种情况下，时间反演（TR）被认为是一种有前途的波束成形技术，这种毫米波大规模MIMO系统。在本文中，我们分析了一个基带TR波束成形系统的毫米波多用户大规模MIMO。我们验证，随着天线数量的增加，TR产生良好的均衡和干扰缓解性能，但用户间干扰（IUI）仍然是一个主要的损害。因此，我们提出了一种新的技术称为干扰零TR（INTR），以尽量减少IUI。我们数值评估INTR的性能，并将其与传统TR和均衡TR波束形成进行比较。我们使用60 GHz MIMO信道模型与空间相关的IEEE 802.11ad SISO NLoS模型的基础上。我们证明，INTR优于传统的TR方面的平均BER每用户和可实现的总和速率在不同的条件下，同时提供分集和复用增益。
2015-06-18 cs.IT math.IT
NOMA Meets Finite Resolution Analog Beamforming in Massive MIMO and Millimeter-Wave Networks
有限分辨率模拟波束形成（FRAB）已被公认为是一种有效的方法，以减少大规模多输入多输出（MIMO）和毫米波网络的硬件成本。然而，FRAB的使用意味着波束形成器与用户的信道不完全对准，并且多个用户可能被分配相似的或甚至相同的波束形成器。这封信显示了如何非正交多址接入（NOMA）可以用来利用这一特点的FRAB，其中一个单一的FRAB波束形成器是由多个用户共享。分析和仿真结果都证明了这种新的NOMA传输方案所取得的优异性能。
2017-02-28 cs.IT math.IT
Beamforming Design for Continuous Aperture Array (CAPA)-Based MIMO Systems
The University of Hong Kong（香港大学）；Queen Mary University of London（伦敦大学女王玛丽学院）
针对CAPA-MIMO波束成形优化计算代价高的问题，本文推导了可达速率的闭式表达式，并提出基于变分法的WMMSE迭代算法及Gauss-Legendre求积的低复杂度实现，显著提升性能并降低计算复杂度。
2025-07-18 cs.IT math.IT
Hybrid Beamforming via the Kronecker Decomposition for the Millimeter-Wave Massive MIMO Systems
尽管其有希望的性能增益，毫米波大规模MIMO的实现仍然面临着一些实际挑战。特别是，在数字域中实现大规模MIMO需要数百个与天线数量相匹配的RF链。此外，将这些组件设计为在毫米波频率下操作是具有挑战性的并且成本高昂。这些激发了混合波束成形的最新发展，其中MIMO处理被划分为模拟和数字域中的单独实现，分别称为模拟和数字波束成形。使用相控阵的模拟波束形成引入了对波束形成系数的单模约束，使得传统的MIMO技术不适合并且需要新的设计。在本文中，我们提出了一个系统的设计框架，混合波束形成的多小区多用户大规模MIMO系统在毫米波信道稀疏传播路径的特点。该框架依赖于将模拟波束成形向量和路径观测向量分解为作为单模向量的因子的克罗内克积。利用Kronecker混合积的性质，设计了模拟波束形成器的不同因子，用于对干扰路径进行调零或对数据路径进行相干合并。此外，信道估计方案的设计，使建议的混合波束成形。该方案通过模拟波束扫描估计数据和干扰路径的AoA，通过模拟波束转向估计数据路径增益。分析了信道估计方案的性能。特别是，由波束扫描产生的AoA谱，它显示了AoA范围内路径的幅度分布，以封闭形式导出。结果表明，小区间干扰水平与阵列大小、导频序列长度的平方根和路径之间的空间间隔成反比。
2017-04-12 cs.IT math.IT
Transmit Beamforming for MIMO Communication Systems with Low Precision ADC at the Receiver
多天线系统已经被设计在几GHz的带宽中操作的多吉比特通信系统的标准广泛使用。在本文中，我们研究了使用发射机（Tx）波束成形技术，以提高低精度ADC的MIMO系统的性能。我们激励的方法，使用本征模发射波束成形（这施加在完整的MIMO系统的对角结构），并使用本征模功率分配，最大限度地减少未编码的BER的有限精度系统。虽然我们不能保证这种方法的最优性，但我们观察到，即使是低精度ADC，它也可以在没有本征模功率分配的情况下执行高达全精度的系统。例如，在接收机处具有有限精度ADC的高吞吐量MIMO系统中，仿真结果表明，对于接收机处具有3比特精度ADC的3/4 LDPC编码的2x2 MIMO OFDM 16-QAM系统，在26 dB的SNR下实现了0.0001的BER。这比具有全精度但相等本征模功率分配的相同系统所需的好1dB。
2013-10-06 cs.IT math.IT
Optimal Power Allocation for GSVD-Based Beamforming in the MIMO Wiretap Channel
本文考虑了一个多输入多输出（MIMO）高斯窃听信道模型，其中存在一个发射机，一个合法的接收机和一个窃听者，每个都配备了多个天线。当发送者和合法接收者可以以一定的正速率通信时，同时确保窃听者获得零比特的信息，就可以实现完美的保密。本文在假设发射端基于广义奇异值分解（GSVD）进行波束形成的前提下，研究了任意天线数下多天线MIMO窃听信道的理想保密容量。更准确地说，GSVD为基础的预编码器，实现保密容量的最佳分配的功率。这种解决方案被证明有几个优势，比以前的工作，认为保密容量的一般MIMO高斯窃听信道下的高信噪比的假设。数值结果来说明所提出的理论研究结果。
2010-06-09 cs.IT math.IT
Opportunistic Scheduling and Beamforming for MIMO-SDMA Downlink Systems with Linear Combining
本文针对MIMO-SDMA下行链路系统，提出了一种基于线性合并的多用户调度和波束形成方案。从每个移动终端（MT）的所有天线接收的信号被线性组合以改善{ \em有效}信号与噪声干扰比（SINR）。通过利用关于有效SINR的有限反馈，基站（BS）调度多个波束上的同时数据传输到具有最大有效SINR的MT。利用极值理论，我们推导出渐进的系统吞吐量和缩放定律的建议调度和波束形成方案与不同的线性组合技术。计算机模拟证实了所提出的方案可以大大提高系统的吞吐量。
2007-06-26 cs.IT math.IT
Secrecy Capacity Analysis and Beamforming Optimization for MIMO-VLC Wiretap Channels
China Mobile Research Institute（中国移动研究院）；SJTU Paris Elite Institute of Technology, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学巴黎卓越工程师学院）；Beijing National Research Center for Information Science and Technology (BNRist), Tsinghua University（清华大学北京信息科学与技术国家研究中心）；Department of Electronic Engineering, Tsinghua University（清华大学电子工程系）；Research Institute, Tsinghua University in Shenzhen（清华大学深圳研究院）
本文针对MIMO-VLC窃听信道，提出基于熵功率不等式的保密容量分析与低复杂度波束成形优化方法，提升通信安全性。
2026-02-13 cs.IT math.IT
A Comparison of MIMO Techniques in Downlink Millimeter Wave Cellular Networks with Hybrid Beamforming
在未来的毫米波（mmWave）蜂窝网络中将需要大型天线阵列，从而实现大量不同的可能天线架构和多输入多输出（MIMO）技术。仍然不清楚哪种MIMO技术作为不同网络参数的函数是最期望的。因此，本文比较了混合波束赋形使能的多用户（MU）MIMO和单用户空间复用（SM）与单用户模拟波束赋形（SU-BF）的覆盖范围和速率性能。针对MU-MIMO毫米波蜂窝网络，提出了一种用于覆盖和速率分析的随机几何模型，该模型考虑了混合模拟/数字预编码器和合并器的毫米波特定硬件约束，以及角域稀疏的阻塞相关信道模型。分析结果突出了多用户毫米波网络的覆盖范围，速率和功耗的权衡。在毫米波蜂窝网络中，由于发射机处的完美信道状态信息和轮询调度，MU-MIMO通常是比SM或SU-BF更好的选择。然而，这种观察忽略了由于信道获取或计算复杂性而引起的任何开销。考虑到这种开销的影响，我们的结果可以重新解释，以便量化MU-MIMO提供比SM或SU-BF更高速率的最小允许效率。
2016-03-02 cs.IT math.IT
Energy Efficient Beamforming for Massive MIMO Public Channel
针对微波或毫米波（mmwave）频段任意扇区大小的大规模MIMO公共信道，研究了在保证服务质量（QoS）的前提下，最小化发射功率的波束赋形设计方法。首先通过Parseval恒等式推导出理想波束图，并在此基础上提出了波束形成设计问题，以最小化与理想波束图的差距。该问题可转化为多凸问题，并采用迭代优化算法得到全数字波束形成器。此外，利用相同波束图定理，在波束图不变的情况下，提高了波束形成器的功率放大器效率。最后，得到了实现全数字波束形成器解决方案的实际混合实现。仿真结果验证了所提出的方案优于现有的。
2017-09-22 cs.IT math.IT
MiLAC-Aided Beamforming for MIMO Over-the-Air Computation
School of Electronic and Information Engineering, Beihang University（北京航空航天大学电子工程学院）
本文针对MIMO空中计算的硬件负担问题，提出MiLAC辅助波束成形方法，通过联合优化预编码与聚合矩阵，在减少射频链数量的同时，性能接近全数字波束成形且优于混合波束成形。
2026-08-14 cs.IT math.IT
Energy-Efficient Optimization for Wireless Information and Power Transfer in Large-Scale MIMO Systems Employing Energy Beamforming
在这封信中，我们考虑了一个大规模的多输入多输出（MIMO）系统，接收器应该收获能量从发射器的无线功率传输，以支持其无线信息传输。利用大规模MIMO系统中的能量波束形成来解决具有挑战性的长距离无线功率传输问题。此外，考虑到在这样的系统中的功率的限制，这封信集中在最大化的信息传输的能量效率（比特每焦耳），同时满足服务质量（QoS）的要求，即延迟约束，通过联合优化传输持续时间和发射功率。通过求解优化问题，我们得到了一个节能的资源分配方案。数值结果验证了该方法的有效性。
2013-09-24 cs.IT math.IT
Massive MIMO Multicast Beamforming Via Accelerated Random Coordinate Descent
大规模多输入多输出系统的一个关键特征是大量的天线和用户。因此，降低波束形成设计的计算复杂性变得势在必行。为此，本文的目标是通过并行加速随机坐标下降（ARCD）实现比现有波束形成方法更低的复杂度。然而，它是已知的，ARCD只适用于当问题是凸的，光滑的，和可分离的。相比之下，波束形成设计问题是非凸的，非光滑的，不可分离的。尽管存在这些挑战，本文表明，它是可能的，将ARCD多播波束成形利用优化最小化和强大的对偶性。数值结果表明，所提出的方法减少了一个数量级的执行时间相比，国家的最先进的方法。
2019-02-07 cs.IT math.IT
Effect of Finite Rate Feedback on CDMA Signature Optimization and MIMO Beamforming Vector Selection
分析了有限速率反馈对CDMA（码分多址）签名优化和MIMO（多输入多输出）波束形成矢量选择的影响。在CDMA签名优化中，对于特定的用户，接收机从码本中选择一个签名向量，以最好地避免来自其他用户的干扰，然后将相应的索引反馈给指定的用户。对于MIMO波束成形向量选择，接收机从给定的码本中选择波束成形向量以最大化吞吐量，并将相应的索引反馈给发射机。这两个问题是双重的：两者都可以被建模为从有限大小的码本中选择单位范数向量以“匹配”随机生成的高斯矩阵。在签名优化中，需要最小匹配，而最大匹配优选用于波束成形选择。假设反馈链路是速率受限的，我们的主要结果是一个精确的渐近性能公式的签名/波束形成向量的长度，干扰/信道矩阵的维数，和反馈速率接近无穷大的常数比。证明依赖于一个随机矩阵合奏的大偏差原则。此外，我们证明了从各向同性分布产生的随机码本不仅在平均上是渐近最优的，而且概率为1。
2007-03-02 cs.IT math.IT
Channel reciprocity calibration in TDD hybrid beamforming massive MIMO systems
模拟数字混合波束形成结构是构建低成本大规模多输入多输出系统的一种非常有吸引力的解决方案。通常，这些系统使用一组固定波束进行发送和接收，以避免需要在发射机处为每个天线元件单独获得信道状态信息（CSIT）。然而，这样的方法不能充分利用混合AD波束成形系统的潜力。或者，可以通过假设传播信道的模型来估计CSIT，而由于其较差的散射性质，该模型仅在毫米波（mmWave）频带中得到验证。在本文中，我们专注于时分双工（TDD）系统与混合波束形成结构，并提出了一个互惠校准方案，允许获得完整的CSIT。与现有的CSIT捕获方法不同，我们的方法不需要对信道模型进行任何假设，并且在理论上可以估计CSIT到任意小的误差。
2017-08-25 cs.IT math.IT
Joint CSI Estimation, Beamforming and Scheduling Design for Wideband Massive MIMO System
针对宽带大规模多输入多输出（MIMO）系统，提出了一种联合设计信道估计、波束形成和调度的新方法。与所提出的方法，我们首先量化的最大数量的用户设备（UE），可以发送导频可能是或可能不是正交的。具体地，当信道具有最大的$L$多径抽头，并且我们分配$\tilde{M}$子载波用于信道状态信息（CSI）估计时，在大规模MIMO机制中可以估计最大的$\tilde{M}$ UE CSI（与传统CSI估计方法相比是$L$倍）。然后，我们提出使用基于贪婪的调度来调度这些UE的子集，以利用所提出的联合波束成形和调度设计在每个子载波上发送它们的数据。我们采用众所周知的最大比合并器（MRC）波束成形方法在上行链路信道数据传输。所有的解析表达式通过数值结果进行了验证，所提出的设计优于传统的正交频分复用（OFDM）传输方法是证明使用大量的数值模拟在长期演进（LTE）信道环境中。所提出的信道估计和波束形成设计是线性的，易于实现。
2018-01-16 cs.IT math.IT
Statistical Beamforming for FDD Downlink Massive MIMO via Spatial Information Extraction and Beam Selection
在本文中，我们研究了频分复用（FDD）下行链路大规模MIMO系统中的波束成形设计问题，其中瞬时信道状态信息（CSI）被假定为在基站（BS）不可用。我们提出了提取的信息的角度的偏离（AoD）和相应的大尺度衰落系数（a.k.a.）。空间信息）的下行链路信道估计过程，基于此提出了一种新颖的下行链路波束成形设计。在波束形成设计中，我们利用物理信道的空间信息和隐藏稀疏性，将不同用户的子路径分离，构造出近似正交的虚拟信道。此外，我们推导出一个和率表达式及其近似所提出的系统。基于这些封闭形式的速率表达式，我们开发了两个低复杂度的波束选择方案，并进行渐近分析，为系统设计提供有价值的见解。数值结果表明，我们所提出的算法的国家的最先进的波束成形方法的性能显着改善。
2020-03-06 cs.IT math.IT
Directional Beamforming for Millimeter-Wave MIMO Systems
本文的重点是毫米波（mmW）多输入多输出（MIMO）设置中的波束成形，该设置在满足下一代无线系统的高数据速率要求方面获得了越来越多的关注。对于给定的MIMO信道矩阵，在发送端利用主右奇异向量（RSV）和在接收端利用与RSV匹配的滤波器的波束成形的最优性已经被很好地理解。当信道矩阵可以准确地捕获的物理（几何）散射模型跨多个集群/路径的情况下，在毫米波MIMO系统，我们提供了一个物理解释这种最佳结构：波束转向不同的路径与适当的功率分配和相位补偿。虽然迄今为止尚未提供这种明确的物理解释，但是在mmW系统中实际实现这种结构充满了相当大的困难（复杂性以及成本），因为它需要使用每天线增益和相位控制。本文的特点是在接收到的SNR损失与替代的低复杂度波束形成的解决方案，只需要每天线相位控制，并对应于转向的波束在发送端和接收端的主导路径。虽然接收到的SNR的损失可以是任意大的（理论上），但是这种损失在大部分信道实现中是最小的，从而加强了定向波束成形作为mmW MIMO系统的良好候选解决方案的效用。
2016-01-11 cs.IT math.IT
Joint Active and Passive Beamforming for Intelligent Reflecting Surface Aided Multiuser MIMO Communications
研究了智能反射面（IRS）辅助多用户多输入多输出系统中以加权和速率最大化为目标的主被动波束联合优化问题。我们表明，这个问题可以通过矩阵加权均方误差最小化等价解决。特别地，对于无源IRS波束形成的优化，我们首先提出了一种基于流形优化的具有优良性能的迭代算法。通过使用矩阵分式规划技术，以获得一个更容易处理的目标函数，然后我们提出了一个低复杂度的优化-最小化方法的基础上。数值结果验证了我们所提出的算法的收敛性和显着的性能改善的通信场景没有IRS的援助。
2021-01-27 cs.IT math.IT
Robust MIMO Beamforming for Cellular and Radar Coexistence
在这封信中，我们考虑下行链路多用户多输入多输出（MU-MIMO）通信和MIMO雷达之间的共存和频谱共享。对于给定的下行通信系统的性能要求，我们设计的发射波束形成，使雷达的检测概率最大化。而原来的优化问题是非凸的，我们利用单调增加的关系的检测概率与非中心性参数的概率分布，以获得一个凸的下界优化。所提出的波束形成器被设计为对不完美的信道状态信息（CSI）具有鲁棒性。仿真结果表明，该方法有利于雷达和通信链路之间的共存，并说明了两个系统的性能之间的可扩展的权衡。
2017-07-03 cs.IT math.IT
Hybrid Beamforming with Spatial Modulation in Multi-user Massive MIMO mmWave Networks
射频（RF）链的成本是大规模MIMO毫米波网络的最大缺点。通过采用空间调制（SM），可以实现比发射天线更少数量的RF链，但仍然实现高频谱效率。在这项工作中，我们提出了一个系统模型的SM计划与混合波束形成在发射机和数字组合在接收机。在该模型中，空间调制比特映射到天线阵列的索引。结果表明，该模型实现了约5dB的增益比经典的多用户SM计划，只有8个发射天线在每个天线阵列。可以通过增加每个阵列处的发射天线的数量而不增加RF链的数量来进一步提高该增益。
2017-09-14 cs.IT math.IT
On-off Analog Beamforming for Massive MIMO
该文研究了一种新的大规模多输入多输出（MIMO）系统模拟波束形成结构，根据发射端的信道状态信息，将多根发射天线中的每一根天线切换为开启或关闭，形成波束。这种开关模拟波束形成（OABF）方案在硬件复杂度和算法复杂度方面都具有优势。OABF可以完全去除传统模拟波束形成方案中广泛使用的高成本、功耗和笨重的模拟移相器;它只需要部署易于实现的低成本模拟开关。此外，我们表明，这种简单的天线开关操作形成的波束可以实现相当好的性能与低复杂度的波束形成算法。具体来说，我们首先提出了两个最佳的信噪比最大化算法，以确定每个开关的通断状态下的每天线功率约束和总功率约束，分别。在此基础上，我们从理论上证明了OABF可以实现全分集增益和全阵列增益，复杂度高达多项式阶。数值结果与理论分析一致。我们相信，OABF的简单结构使得大规模MIMO更容易在实际系统中实现。
2017-01-31 cs.IT math.IT
MIMO Multichannel Beamforming: SER and Outage Using New Eigenvalue Distributions of Complex Noncentral Wishart Matrices
本文分析了莱斯衰落下多信道波束形成的MIMO系统。我们的研究结果适用于广泛的一类多信道系统上的MIMO信道的本征模传输。首先，我们提出了新的封闭形式的复杂的非中心Wishart矩阵的边缘有序特征值分布的表达式。这些用于表征每个本征模上的信噪比（SNR）的统计。在此基础上，我们提出了准确的符号出错率（SER）的表达式。我们还推导出封闭形式的表达式的分集阶数，阵列增益，和中断概率。我们表明，全球SER性能占主导地位的子信道对应的最小信道奇异值。我们还表明，在低中断水平，中断概率与莱斯K因子的情况下，传输仅在最占主导地位的子信道（即单信道波束成形系统）成反比。数值结果验证了理论分析的正确性。
2006-11-03 cs.IT math.IT
Single Anchor Localization and Orientation Performance Limits using Massive Arrays: MIMO vs. Beamforming
下一代蜂窝网络将经历毫微微蜂窝、毫米波通信和大规模天线阵列的组合。由于大规模阵列提供的波束形成能力以及高角分辨率，只能使用一个充当锚节点的单个接入点（AP）进行定位估计，从而避免专用于定位的超大基础设施。在这种情况下，我们的论文的目的是在调查的定位和定向性能限制，采用大规模的阵列在AP和移动端。因此，我们首先渐近地证明了在大规模阵列制度的Cramer-Rao界（CRB）的紧密性，并在存在或不存在多径。接着，我们提出了MIMO和波束形成的阵列结构，时间同步误差和多径分量的比较。在不同的阵列配置中，我们还考虑随机加权作为MIMO的高分集增益和相控阵保证的高方向性之间的权衡。通过评估不同阵列配置的CRB，结果显示分集和波束形成增益之间的相互作用，以及通过改变定位精度方面的阵元数量可实现的好处。
2017-05-25 cs.IT math.IT
Joint Transmit and Receive Beamforming for Multi-Relay MIMO-OFDMA Cellular Networks
针对多用户、多中继、多输入-多输出正交频分多址（MIMO-OFDMA）蜂窝网络，提出了一种基于联合发射和接收波束赋形的传输协议。更具体地说，网络的MIMO信道在数学上被分解成几个有效的多输入单输出（MISO）信道，这些信道被空间复用以进行传输。为了提高可达到的容量，这些MISO信道使用一对新的分组算法进行分组，然后根据它们的性能与复杂度的权衡\footnote{This paper concisely focuses on the transmission protocol proposed in our previous work [1]. For more details, please refer to [1].}进行评估。
2016-02-17 cs.IT math.IT
Utility of Beamforming Strategies for Secrecy in Multiuser MIMO Wiretap Channels
本文探讨了线性波束成形方法的安全通信在多用户窃听信道与一个单一的发射机，多个合法的接收机，和一个单一的窃听器，其中所有的节点都配备了多个天线。没有关于窃听者的信息被假定在发射机，我们检查广播MIMO下行链路与独立的信息，和多播MIMO下行链路与所有合法的接收机的共同信息。在这两种情况下，信息信号都是以刚好足够的功率发射的，以保证在期望的接收机处的某个SINR，而剩余的功率用于广播人工噪声。人工干扰选择性地降低被动窃听者的信号，同时保持与期望的接收器正交。我们分析了迫零和最佳的最小功率波束成形设计的广播信道，最佳的最小MSE波束成形器的组播信道提供的机密性。对窃听者的相对信干噪比和误码率性能的数值仿真表明了所提出的物理层安全方案的有效性。
2009-10-14 cs.IT math.IT
Turbo-Like Beamforming Based on Tabu Search Algorithm for Millimeter-Wave Massive MIMO Systems
对于毫米波（mmWave）大规模MIMO系统，通常采用基于码本的模拟波束成形（包括发射预编码和接收合并）来补偿mmWave信号的严重衰减。然而，传统的波束成形方案涉及在预定义的码本中进行复杂的搜索以找出模拟预编码器和模拟组合器的最佳对。针对这一问题，本文将Turbo均衡器的思想与禁忌搜索（TS）算法相结合，提出了一种基于TS的Turbo-like波束形成方案，称为Turbo-TS波束形成，以实现低复杂度的近最优性能。具体而言，Turbo-TS波束形成方案由以下两个关键部分组成：1）基于基站和用户之间的迭代信息交换，设计了一种Turbo-like联合搜索方案，以找到模拟预编码器和模拟合并器的近最优对; 2）受人工智能中发展起来的TS算法思想的启发，我们提出了一种基于TS的预编码/合并方案，以在具有低复杂度的Turbo式联合搜索的每次迭代中智能地搜索最佳预编码器/合并器。分析表明，所提出的Turbo-TS波束形成可以大大降低搜索复杂度，仿真结果验证了它可以达到接近最优的性能。
2015-07-16 cs.IT math.IT
Technical Report: Outage Performance of Full-Duplex MIMO DF Relaying using Zero-Forcing Beamforming
本文研究了多天线终端的解码转发协作网络中全双工中继的性能。更具体地说，通过分析端到端的统计，我们推导出精确的封闭形式的表达式的端到端中断概率的发送和接收ZFBF计划在瑞利衰落环境。一些选定的结果显示了一些有趣的观察有用的系统设计者。具体来说，我们观察到中断性能可以通过采用不同的天线配置的联合ZF为基础的预编码得到改善。
2017-03-09 cs.IT math.IT
MIMO Beamforming for Secure and Energy-Efficient Wireless Communication
考虑多用户多输入多输出（MIMO）信道与窃听，这封信开发了一个波束形成器的设计，以优化能源效率的保密比特每焦耳保密服务质量的约束下。这是一个非常困难的设计问题，没有可用的精确解技术。提出了一种利用简单的中维二次规划迭代改进可行点的路径跟踪方法。在任何固定的计算容差下，该过程在多次迭代后终止，至少产生局部最优解。仿真结果表明，该算法的性能优于其他现有的方法。
2017-01-18 cs.IT math.IT
Robust Beamforming for Amplify-and-Forward MIMO Relay Systems Based on Quadratic Matrix Programming
研究了基于最小均方误差（MMSE）准则的双跳放大转发MIMO中继系统的鲁棒收发机设计问题。信道估计误差被建模为高斯随机变量，然后将其影响纳入基于贝叶斯框架的鲁棒收发器。提出了一种迭代算法来联合设计源端的预编码器、中继端的前向矩阵和目的端的均衡器，并利用二次矩阵规划（QMP）方法有效地解决了联合设计问题。
2010-05-31 cs.IT math.IT
Directivity-Beamwidth Tradeoff of Massive MIMO Uplink Beamforming for High Speed Train Communication
高移动性自适应和大规模多输入多输出（MIMO）应用是下一代高速训练（HST）无线通信系统的两个主要发展目标。在本文中，我们考虑如何设计一个位置感知波束形成的大规模MIMO系统中的高流量密度HST网络。首先分析了波束指向性和波束宽度之间的折衷关系，在此基础上给出了定位精度的灵敏度分析。然后，为了保证高效率的传输，我们推导出一个优化问题，以最大限度地提高不同的定位精度的限制下的波束方向性。在此基础上，我们提出了一种低复杂度的波束形成设计，利用位置信息，它既不需要特征分解（ED）的上行链路信道协方差矩阵（CCM），也不需要ED的下行链路CCM（DCCM）。最后，我们研究了未来高业务密度HST网络中的波束形成方案，其中强调了两个HST相遇的情况。通过利用实时位置信息，我们提出了一种最佳的自适应波束形成方案，以最大化有限的信道资源约束下的可达速率区。数值仿真表明，在高业务密度的HST场景下，定位误差小于一定值的大规模MIMO系统可以保证满足传输效率要求的性能，并且两个HST相遇时的可达速率区域也得到了极大的改善。
2017-04-11 cs.IT math.IT
Grassmannian Beamforming for MIMO-OFDM Systems with Frequency and Spatially Correlated Channels Using Huffman Coding
多输入多输出（MIMO）预编码是可以显著增强通信链路的有效方案。然而，这种增强是有代价的。许多预编码方案需要在发射机处通过来自接收机的反馈获得的信道知识。针对正交频分复用（OFDM）和MIMO的自然共同融合，利用频域和空间域的信道相关性来降低频分双工（FDD）系统中所需的反馈速率。建议的反馈方法是基于霍夫曼编码，并在这里采用的单流的情况下。该方法导致所需的反馈速率的显着降低，而没有任何性能损失。所提出的方法可以扩展到多流的情况。
2009-07-27 cs.IT math.IT
On the Energy Efficiency of MIMO Hybrid Beamforming for Millimeter Wave Systems with Nonlinear Power Amplifiers
多输入多输出（MIMO）毫米波（mmWave）系统由于在高频下操作并且采用大量射频（RF）硬件组件而易受硬件损害的影响。特别地，由于能量效率的考虑，在发射机处采用的非线性功率放大器（PA）在接近饱和操作时使信号失真。在本文中，我们研究了MIMO毫米波混合波束形成方案在非线性PA的存在下的性能。首先，我们开发了一个统计模型，在这样的系统中发送的信号，并表明，带内失真的空间方向的波束成形滤波器。这表明，即使在大天线制度，窄波束可以转向接收器，非线性PA的影响不应该被忽略。然后，通过采用一个现实的功率消耗模型的PA，我们研究了在这样的系统中的频谱和能源效率之间的权衡。我们的研究结果表明，当发射天线的数量变大时，增加发射功率电平可以在能量效率方面起反作用。此外，使用数值模拟，我们表明，当发射功率是大的，模拟波束形成导致更高的频谱和能量效率相比，数字和混合波束形成方案。
2018-06-05 cs.IT math.IT
Joint Beamforming and Broadcasting in Massive MIMO
大规模MIMO系统的下行链路被认为是基站必须同时服务两类终端的情况下：一组不完美的瞬时信道状态信息（CSI）是可用的，和一组没有CSI是可用的。激励应用包括无线网络中的公共信道和控制信息的广播。一种新的技术被开发和分析：联合波束成形和广播（JBB），通过该技术，基站波束成形到CSI可用的终端组，并广播到没有CSI可用的其他终端组。广播信息不干扰波束成形，因为它被放置在波束成形所针对的终端共同看到的信道矩阵的零空间中。将JBB与正交接入（OA）进行比较，通过正交接入，基站将时间-频率资源划分成两个分离的部分，每组终端一个。结果表明，JBB可以大大优于OA在所需的总辐射功率为给定的速率目标。
2016-03-14 cs.IT math.IT
Energy Efficiency and Asymptotic Performance Evaluation of Beamforming Structures in Doubly Massive MIMO mmWave Systems
基于毫米波使用的未来蜂窝系统将严重依赖于在发射机和接收机处使用天线阵列。由于复杂性原因和能量消耗问题，全数字预编码和后编码结构可能是不可行的，因此已经研究了利用简化的硬件和有限数量的RF链的次优结构。本文认为，并作出比较评估，无论是从频谱效率和能源效率的角度来看，几个次优的预编码和后编码波束成形结构的蜂窝多用户MIMO（MU-MIMO）系统与大量的天线。分析公式的渐近可实现的频谱效率和几个波束形成结构的全球能源效率推导出大量的天线制度。使用最近可用的数据移相器和开关的能量消耗，我们表明，全数字波束形成器实际上可以实现更大的能源效率比低复杂度的解决方案，以及低复杂度波束转向纯模拟波束形成在某些情况下可能代表一个良好的性能复杂度权衡解决方案。
2017-11-10 cs.IT math.IT
Joint Design of Multi-Tap Analog Cancellation and Digital Beamforming for Reduced Complexity Full Duplex MIMO Systems
在多输入多输出（MIMO）系统中实现全双工操作提供了提高吞吐量性能的潜力。然而，模拟自干扰消除器的硬件复杂度与发射天线和接收天线的数量成比例，因此利用模拟消除的益处对于全双工MIMO收发器来说变得不切实际。在本文中，我们提出了一种新的架构，包括减少数量的抽头（抽头指的是固定延迟和可变移相器和衰减器的线）和简单的多路复用器之间的发送和接收射频链的有效信号路由的模拟消除器。与可用的模拟消除架构相比，每个抽头的值和多路复用器的配置根据某些性能目标与数字波束成形滤波器联合设计。以窄带平坦衰落信道模型为例，提出了一种模拟抵消和数字波束形成联合设计的通用优化框架。我们还详细介绍了一个特定的优化目标，连同其派生的解决方案，后者的架构组件。代表性的计算机模拟结果表明，所提出的低复杂度全双工MIMO系统的优越性，最近可用的。
2017-05-15 cs.IT math.IT
Beamforming Technologies for Ultra-Massive MIMO in Terahertz Communications
具有频带$0.1-10$ THz的太赫兹（THz）通信被设想为未来高速无线通信的有前景的解决方案。虽然THz信号具有数十GHz的可用带宽，但THz信号存在严重的自由扩展损耗和分子吸收损耗，这限制了无线传输距离。为了补偿传输损耗，可以应用超大规模多输入多输出（UM-MIMO）技术通过波束形成技术来产生高增益的定向波束。本文综述了太赫兹UM-MIMO系统中的波束形成技术。具体而言，我们首先提出了太赫兹UM-MIMO系统模型，并确定其信道参数和结构类型。然后，我们说明了通过UM-MIMO波束形成的基本原理，并讨论了太赫兹UM-MIMO的远场和近场假设。此外，THz波段的一种重要波束形成策略，即，波束训练，其中概括了波束训练协议和码本设计方法。分别研究了THz UM-MIMO系统中智能反射面辅助的联合波束形成和多用户波束形成。分析了太赫兹波束形成中的空间宽带效应和频率宽带效应，并提出了相应的解决方案。此外，我们提出了相应的制造技术和照明的新兴应用受益于太赫兹波束成形。最后强调了THz UM-MIMO系统面临的挑战和未来的研究方向。
2023-03-13 cs.IT eess.SP math.IT
Analysing of 3D MIMO Communication Beamforming in Linear and Planar Arrays
该研究分析线性与平面阵列中三维MIMO通信的波束成形，采用基于协方差的波形方法，通过MATLAB仿真评估不同波束成形技术的性能。
2023-10-12 cs.IT eess.SP math.IT
Elevation Beamforming with Full Dimension MIMO Architectures in 5G Systems: A Tutorial
全维（FD）多输入多输出（MIMO）技术作为下一代无线通信网络的一种有前途的技术，在过去几年中吸引了无线工业界和学术界的大量研究关注。FD-MIMO场景利用平面二维有源天线系统（AAS），其不仅允许将大量天线元件放置在可行的基站（BS）形状因子内，而且还提供在仰角和传统方位角维度上的自适应电子波束控制的能力。本文介绍了一个教程仰角波束成形分析蜂窝网络利用FD大规模MIMO天线阵列。与第三代合作伙伴计划（3GPP）中专注于FD-MIMO标准化的现有作品相比，本教程在天线阵列和3D信道建模的理论方面具有深度。为了弥合工业界和学术界之间的差距，本初步教程介绍了3GPP Release 13中提出的支持仰角波束成形的相关阵列和收发器架构设计。然后，它提出并比较了两种不同的三维信道建模方法，可用于仰角波束形成技术的性能分析。基于这两种信道建模方法，对FD-MIMO阵列的空间相关性进行了表征和比较，分析了不同信道和阵列参数对空间相关性的影响。所有这些方面放在一起，以提供一个数学框架，在单小区和多小区的情况下的仰角波束成形方案的设计。仿真例子与比较和讨论。为此，本文重点介绍了最新的研究成果，并指出了未来的研究方向。
2019-06-05 cs.IT math.IT
On Optimizing Feedback Interval for Temporally Correlated MIMO Channels With Transmit Beamforming And Finite-Rate Feedback
在点对点多输入多输出（MIMO）信道中具有理想信道状态信息（CSI）的接收机可以计算使传输速率最大化的发射波束成形向量。对于频分双工，发射机不能直接估计CSI，并且必须经由速率受限的反馈信道从接收机获得量化的发射波束成形向量。我们假设MIMO信道的时间演化被建模为一个时间相关系数参数化的高斯-马尔可夫过程。由于反馈速率通常较低，我们假设秩一发射波束成形或利用单个数据流的传输。对于给定的反馈速率，我们分析了最大化两个发射天线或两个接收天线的系统的平均接收功率的最佳反馈间隔。对于其他系统的大小，最佳的反馈时间间隔近似最大化的速率差在一个大的系统限制。数值结果表明，大系统近似可以相当准确地预测有限尺寸系统的最优区间。数值结果还表明，量化发射波束形成的最佳反馈间隔给出了更大的速率比现有的卡尔曼滤波器方案没有多达10%，比反馈的每一个块44%，当反馈比特数是小时。
2018-03-28 cs.IT math.IT
Cell-Free ISAC MIMO Systems: Joint Sensing and Communication Beamforming
本文研究无小区ISAC MIMO系统中的联合感知与通信波束成形设计，提出基于最大最小公平性的最优JSC波束成形结构和功率分配方法，在保持通信SINR和感知SNR的同时获得显著性能增益。
2024-02-23 cs.IT eess.SP math.IT
Hybrid Analog-Digital Beamforming for Multiuser MIMO Millimeter Wave Relay Systems
提出了一种新的用于多用户毫米波中继系统的模数混合波束形成方法。对于这个系统，我们考虑一个和率最大化问题。所提出的混合波束形成的设计间接考虑了和均方误差（MSE）最小化问题，同时利用数字波束形成的解决方案。为此，我们假设数字波束形成利用众所周知的块对角化（BD）方法。在这种假设下，我们解决我们的问题如下：首先，我们制定的和速率最大化问题的混合和数字波束成形设计的接收信号之间的MSE最小化。然后利用压缩感知技术设计了源、中继和各目的节点的混合波束赋形。仿真结果表明，所提出的混合波束形成设计的性能非常接近的数字之一。此外，我们还研究了射频（RF）链和路径的数量以及到达角（AoA）和离开角（AoD）估计器的精度对混合波束成形设计的总速率的影响。计算机模拟揭示，当RF链和路径的数量增加（或AoA（AoD）估计器的精度提高）时，混合波束成形的总和速率增加。
2015-11-11 cs.IT math.IT
Circular Holographic MIMO Beamforming for Integrated Data and Energy Multicast Systems
University of Electronic Science and Technology of China（电子科技大学）；Hong Kong Jockey Club STEM Lab of Smart City（香港赛马会智慧城市STEM实验室）；Department of Computer Science, City University of Hong Kong（香港城市大学计算机系）
本文针对圆形H-MIMO的IDEM系统，推导近场分辨率函数并证明信道渐近正交性，设计低复杂度交替优化波束成形方案，在保障能量用户需求下最大化数据用户最小速率，性能优于基准方案。
2025-10-22 cs.IT math.IT
Joint optimal beamforming and power control in cell-free massive MIMO
我们推导出一个快速和最佳的算法，解决实际的加权最大最小信干噪比问题，在无小区的大规模MIMO网络。该优化问题首次同时考虑了非理想协作下的长期功率控制和分布式波束形成设计。特别是，我们认为以用户为中心的接入点集群合作的基础上，可能有限的信道状态信息共享。我们的优化算法融合了强大的功率控制工具的基础上，干扰演算与最近开发的团队理论框架的分布式波束形成设计。此外，我们提出了一个变化，在实践中表现出更快的收敛。
2022-08-31 cs.IT eess.SP math.IT
A New Approach to User Scheduling in Massive Multi-User MIMO Broadcast Channels
针对多用户大规模多输入多输出（massive MIMO）广播信道，提出了一种新的基于两阶段波束成形的用户调度和波束成形方法。所提出的调度方法的关键思想是：1）使用一组正交参考波束，并在每个参考波束周围构造双锥，以仅基于信道质量指示符（CQI）反馈来选择“接近最优”的半正交用户;以及2）仅基于来自所选择的用户的信道状态信息（CSI）反馈，应用具有迫零波束成形（ZFBF）的用户选择后波束细化。证明了该方法随着用户数的增加是渐近最优的。此外，所提出的同步和波束形成方法几乎实现了现有的半正交用户选择与ZFBF（SUS-ZFBF），需要从所有用户的完整CSI反馈的性能，与显着减少的反馈开销，这是甚至小于所需的随机波束形成。
2014-03-27 cs.IT math.IT
Joint Beamforming and Power Allocation for MIMO Relay Broadcast Channel with Individual SINR Constraints
本文研究了移动台在单个信号干扰噪声比约束下的多输入多输出（MIMO）中继广播信道的系统设计问题。通过研究基站和中继站的下行链路和上行链路的对偶结构，提出了基站和中继站联合功率分配和波束赋形设计的两种方案。首先考虑在BS和RS处具有给定SINR目标的实际功率约束下可行解的存在性问题。然后考虑了系统的和幂最小化问题。在凸优化的框架下，利用最优的联合功率分配和波束形成可以有效地解决每个设计问题。我们还表明，在RS的子信道配对，传输功率可以通过信道补偿在任何一跳降低。最后，扩展到更一般的多跳应用程序，以进一步提高功率效率。
2011-02-28 cs.IT math.IT
Bit-Interleaved Coded Multiple Beamforming with Perfect Coding in Massive MIMO Systems
本文研究了在毫米波大规模多输入多输出（MIMO）系统中采用理想编码的比特交织编码多波束形成（BICMB），以获得最大的分集增益和复用增益。使用BICMB的完美编码使我们能够做到这一点。我们表明，通过使用BICMB和完美的编码，分集增益变得独立于发送数据流的数量和在每个远程天线单元（RAU）在发送器和接收器的天线的数量。假设发射机和接收机都知道完美的信道状态信息（CSI），并且天线数量趋于无穷大。后一种假设可以通过每个RAU中的大量天线来放松，类似于所有大规模MIMO研究的情况。仿真结果表明，当满足理想信道状态信息假设时，采用理想编码的BICMB可以得到分析预测的分集增益值。
2020-05-05 cs.IT math.IT
