Beam Codebook Design for 5G mmWave Terminals
用于数据通信的5G毫米波（mmWave）的波束码本由多个高峰值增益波束组成，以补偿毫米波频带处的高路径损耗。这些波束还必须指向不同的角度方向，使得通过在码本上执行波束搜索，可以实现在终端周围的整个球体上的良好的毫米波信号覆盖（球形覆盖）。假设理想全向天线方向图并且忽略天线周围的终端外壳的影响的基于模型的波束码本设计不能很好地工作，因为与终端外壳的影响组合的实际毫米波天线的辐射方向图是高度不规则的。在本文中，我们提出了一种新的和有效的数据驱动的方法来生成波束码本，以提高毫米波终端的球形覆盖。该方法将每个天线的测量或仿真的电场响应数据作为输入，并根据对码本大小、球形覆盖范围等的要求提供码本。该方法可以以直接的方式应用于不同的天线类型、天线阵列配置、放置和终端外壳设计。我们的仿真结果表明，所提出的方法产生的码书优于基准和802.15.3c码书的球形覆盖。
2019-08-02 cs.IT math.IT
Blockwise Phase Rotation-Aided Analog Transmit Beamforming for 5G mmWave Systems
在这封信中，我们提出了一个分块相位旋转辅助模拟发射波束形成（BPR-ATB）计划，以提高毫米波（mmWave）通信系统的频谱效率和误码率（BER）性能。针对传统模拟波束形成存在的相位角优化问题，设计了BPR-ATB，以减小等效信道的旋转波束空间，提高最小欧氏距离。为了验证所提出的BPR-ATB方案的有效性，我们在发射机采用了Alamplitude编码技术，并评估了毫米波多输入单输出系统的误码率性能。仿真结果表明，所提出的BPR-ATB方案优于传统的基于离散傅立叶变换的ATB方案。
2021-07-27 cs.IT math.IT
A Multi-Beam NOMA Framework for Hybrid mmWave Systems
在本文中，我们提出了一个多波束非正交多址接入（NOMA）的混合毫米波（毫米波）系统的框架。所提出的框架使得能够在混合毫米波系统中使用有限数量的射频（RF）链，以适应具有各种偏离角（AOD）的多个用户。引入了一种分束技术来产生多个模拟光束，以促进NOMA传输。我们分析了系统的性能时，有足够数量的天线驱动的单个RF链在每个收发器。此外，我们推导出天线分配的充分必要条件，这保证了建议的多波束NOMA方案优于传统的时分多址（TDMA）方案的系统和速率。数值结果证实了所开发的分析的准确性，并揭示了所提出的多波束NOMA方案比单波束NOMA方案所取得的性能增益。
2018-04-23 cs.IT math.IT
Low-Complexity Adaptive Beam and Channel Tracking for Mobile mmWave Communications
在本文中，我们研究了低复杂度算法的波束和信道跟踪毫米波（mmWave）通信。特别地，最小均方（LMS）和双向LMS（BiLMS）算法是针对移动毫米波传输场景导出的，其中信道测量是未知的到达角（AoA）和离开角（AoD）的非线性函数。数值结果证实，当AoA/AoD和信道增益的初始化不完善时（即，使用噪声信道估计来执行）。此外，与LMS和EKF相比，BiLMS表现出非常好的均方误差（MSE）性能，这使得它成为移动毫米波传输场景的有前途的信道跟踪算法。我们还表明，LMS和BiLMS算法是更强大的对由于非最佳天线阵列的大小相比，EKF的损害，并显示相对更快的收敛特性，随着信噪比（SNR）的增加。
2018-12-20 cs.IT math.IT
Queue-Aware Beam Scheduling for Half-Duplex mmWave Relay Networks
毫米波（mmWave）频带通过提供多Gbps数据率而被认为是下一代（5G）移动网络的强大关键使能器。然而，它们的严重路径损耗和对阻塞的敏感性在实际实施中提出了挑战。减轻这些影响并增加通信范围的一种有效方式是波束成形与中继的组合。在本文中，我们专注于两个典型的毫米波中继网络，并为每个网络，我们提出了三个波束调度方法，以接近网络的信息理论容量。提出的波束调度方法包括确定性水平连续边着色（HC-EC）调度器、自适应背压（BP）调度器和自适应低延迟新背压（newBP）调度器。借助计算机模拟，我们表明，在网络容量范围内，所提出的路由器提供了良好的网络稳定性的保证，同时实现了很低的分组端到端延迟。
2020-01-15 cs.IT math.IT
Millimeter Wave Location-Based Beamforming using Compressive Sensing
本文提出了一种基于位置的模拟波束形成（BF）技术，使用压缩感知（CS）是可行的毫米波（mmWave）无线通信系统。所提出的方案是基于利用CS和本地化的好处，以减少毫米波波束成形（BF）的复杂性和提高其性能相比，传统的毫米波模拟BF技术。CS理论用于利用毫米波传播信道的稀疏性质来估计毫米波信道的出发角（AoD）和到达角（AoA），并且知道节点位置有效地减少了构造感测矩阵所需的BF向量的数量。因此，可以获得具有低待用时间的高精度毫米波BF。仿真分析证实了所提出的毫米波BF技术的高效率相比，传统的穷举搜索BF和CS基于BF没有定位使用随机测量
2018-08-04 cs.IT math.IT
Random Beamforming in Millimeter-Wave NOMA Networks
本文研究了第五代（5G）移动网络的两种关键使能技术之间的共存，即非正交多址（NOMA）和毫米波（mmWave）通信。特别地，本文考虑将随机波束成形应用于所述mmWave-NOMA场景，以避免基站知道所有用户的信道状态信息的要求。随机几何被用于通过使用毫米波系统的关键特征来表征所提出的毫米波-NOMA传输方案的性能，例如，毫米波传输是高度定向的，潜在的阻塞将使用户分布变薄。还提出了两种随机波束形成方法，可以进一步降低系统开销的毫米波-NOMA通信的情况下，他们的性能进行了研究，通过开发的分析结果的总和率和中断概率。仿真结果也证明了所提出的mmWave-NOMA传输方案的性能，并验证了所开发的分析结果的准确性。
2017-03-16 cs.IT math.IT
Fast and Reliable Initial Access with Random Beamforming for mmWave Networks
毫米波（mmWave）通信依赖于定向传输来克服严重的路径损耗。然而，窄波束的使用使初始接入过程复杂化，并且增加了延迟，因为发射器和接收器波束应该对准以用于正确的链路建立。在本文中，我们调查的可行性随机波束形成的小区搜索阶段的初始接入。我们开发了一个随机几何框架来分析性能的检测失败概率和预期的延迟初始访问以及总的数据传输。同时，我们比较了我们的计划与广泛使用的穷举搜索和迭代搜索计划，在控制平面和数据平面。我们的数值结果表明，与其他两种方案相比，随机波束形成可以大大减少初始访问的延迟，在密集网络中具有相当的失败概率。我们表明，随机波束成形的增益在光流量和低延迟服务中更为突出。我们的工作表明，在密集的毫米波网络中，开发复杂的小区发现算法可能是不必要的，从而为毫米波网络设计提供了新的思路。
2018-11-30 cs.IT math.IT
Hybrid Beamformer Codebook Design and Ordering for Compressive mmWave Channel Estimation
在毫米波（mmWave）通信系统中，利用大型天线阵列的波束成形对于克服高路径损耗至关重要。将全数字波束成形分为模拟和数字阶段可以提供实际实现所需的功耗的大幅降低和频谱效率的小幅损失。由于模拟级中的额外自由度及其伴随的硬件约束，开发具有这种有利权衡的算法是具有挑战性的。例如，在混合波束成形系统中，信道估计算法不直接观察信道，面对高信道计数，并且在发射-接收波束对准之前在低SNR下操作。由于毫米波信道在时域和波束域中是稀疏的，因此已经开发了许多压缩感知（CS）信道估计算法，其随机配置模拟波束形成器、数字波束形成器和/或导频符号。在本文中，我们提出设计确定性波束形成器和导频符号的开环信道估计。我们使用CS方法，依赖于低相干性的恢复保证，因此寻求最小化的压缩传感矩阵的相互相干性。我们还提出了一个预编码器列排序设计的导频符号。仿真结果表明，我们的波束形成器的设计减少了竞争方法的信道估计误差。
2019-09-21 cs.IT math.IT
A Two-Stage Beam Alignment Framework for Hybrid MmWave Distributed Antenna Systems
在本文中，我们研究了毫米波（mmWave）分布式天线系统中的波束对准问题，其中家庭基站通过一些分布式远程无线电单元（RRU）与多个用户进行通信。具体而言，一个两阶段的调度和对齐（TSSA）计划，提出了促进有效的通信。在第一阶段中，在整个角度空间上执行粗波束扫描，同时从用户的反馈获得接收功率角谱的波束索引和对应的峰背景比。然后，通过利用用户反馈，一个有效的用户调度算法，以提高系统的频谱效率，降低系统的失准概率。接下来，由每个RRU以重新配置的搜索角度、搜索步长和功率电平执行束搜索的第二阶段，以获得精细的波束对准。仿真结果表明，在集中式和分布式毫米波系统中，所提出的TSSA方案在波束对准精度和频谱效率方面都明显优于传统的单级方法。
2019-05-08 cs.IT math.IT
Hybrid Analog and Digital Beamforming for mmWave OFDM Large-Scale Antenna Arrays
混合模拟和数字波束成形是大规模毫米波MIMO系统的一个有前途的候选者，因为它能够显著降低传统全数字波束成形方案的硬件复杂度，同时能够接近全数字方案的性能。大多数关于混合波束成形的现有工作考虑窄带信道。然而，诸如毫米波系统的宽带系统是频率选择性的。在宽带系统中，需要为整个频带设计通用的模拟波束形成器，同时在不同的频率子带中采用不同的数字波束形成器。本文研究了OFDM调制系统中的混合波束形成设计。首先，对于在发射器和接收器处均采用混合波束成形架构的SU-MIMO系统，由于毫米波信道的稀疏性，具有少量RF链的混合波束成形可以渐近地接近用于足够大数量的收发器天线的全数字波束成形的性能。对于具有实际数量的天线的系统，然后，我们提出了一个统一的启发式设计两种不同的混合波束成形结构，完全连接和部分连接的结构，以最大限度地提高毫米波MIMO系统的整体频谱效率。数值结果表明，该算法的性能优于现有的混合波束形成方法，在全连接结构下，该算法的频谱效率与最优全数字波束形成非常接近，但所需的射频链路要少得多。其次，对于MU-MISO的情况下，我们提出了一种启发式的混合预编码设计，以最大化在下行链路中的加权和速率，并数值表明，所提出的算法与实际数量的RF链已经可以接近全数字波束成形的性能。
2017-11-22 cs.IT math.IT
Adaptive Millimeter Wave Beam Alignment for Dual-Polarized MIMO Systems
预期第五代无线系统使用异构蜂窝网络内的小小区在毫米波（mmWave）频率下采用多天线通信。毫米波的高路径损耗以及物理障碍物使通信具有挑战性。为了补偿严重的路径损耗，毫米波系统可以采用波束对准算法，该算法通过对准多个天线阵列的波束方向来促进高度定向的传输。本文讨论了采用双极化天线的毫米波系统。首先，我们提出了一个实用的软决策波束对准（软对准）算法，利用正交极化。通过并行探测正交极化，放松了训练序列Welch界的相等性准则。第二，模拟波束成形系统适于毫米波链路的定向特性，假设高莱斯K因子和差散射环境。软算法使得毫米波系统能够将无数窄波束对准信道子空间，以尝试有效地扫描毫米波信道。第三，我们提出了一种方法来有效地适应信道探测观测的数量，以特定的信道环境的基础上的波束失准的近似概率。仿真结果表明，所提出的自适应探测时间的软对准算法有效地利用极化分集扫描移动用户的信道子空间。
2015-05-18 cs.IT math.IT
Uplink Beam Management for Millimeter Wave Cellular MIMO Systems with Hybrid Beamforming
混合模拟和数字波束成形（HBF）是用于毫米波（mmWave）多输入多输出（MIMO）系统的使能收发器技术之一。该技术提供了高度定向的通信，能够对抗毫米波信号传播的固有特性。然而，毫米波系统中的小相干时间，特别是在移动性条件下，使得独立毫米波通信中的有效波束管理（BM）成为非常困难的任务。在本文中，我们考虑HBF收发器与平面天线面板和设计一个多级波束码本的模拟波束形成器包括平顶波束与可变宽度。这些波束对于整个期望的角度宽度表现出几乎恒定的阵列增益，从而促进有效的分层BM。针对上行链路通信，提出了一种新的动态波束排序波束训练算法，该算法适用于最新mmWave标准讨论中对时延的严格要求。我们的仿真结果展示了延迟性能的改善和接收的信噪比与不同的变化，所提出的方案的最佳波束训练方案的基础上，穷举窄束搜索。
2021-01-18 cs.IT math.IT
Common Codebook Millimeter Wave Beam Design: Designing Beams for Both Sounding and Communication with Uniform Planar Arrays
第五代（5G）无线网络预计将利用毫米波（mmWave）频率下可用的宽带宽来提高系统吞吐量。然而，毫米波链路的不利信道条件，例如，由于大气气体或水蒸气引起的更高的路径损耗和衰减阻碍了可靠的通信。为了补偿这些严重的损失，必须有大量的天线来产生尖锐和强大的波束进行定向传输。在本文中，我们考虑毫米波系统使用均匀平面阵列（UPA）天线，有效地将更多的天线在一个二维网格。混合波束成形设置也被认为是通过仅使用几个射频链组合多个天线来生成波束。我们专注于设计一组发射波束形成器，生成适合毫米波链路方向特性的波束，假设UPA和混合波束形成。我们首先定义UPA结构的理想波束图案。每个波束形成器被构造为最小化来自对应的理想波束图案的均方误差。仿真结果表明，该码本提高了毫米波系统的波束形成可靠性和数据率。
2017-02-03 cs.IT math.IT
Adaptive Beam Tracking based on Recurrent Neural Networks for mmWave Channels
由于高的各向同性路径损耗和信道衰减，毫米波（mmWave）通信的性能关键地取决于基站（BS）和用户终端（UE）处的波束成形的准确性。在高移动性环境中，准确的波束对准变得更具挑战性，因为BS和每个UE的角度必须被可靠地和连续地跟踪。在这项工作中，专注于在BS的波束成形，我们提出了一种自适应方法的基础上循环神经网络（RNN），跟踪和预测的角度出发（AoD）的一个给定的UE。此外，我们提出了一种改进的帧结构，以减少波束对准开销，从而提高通信速率。我们的数值实验在一个高度非线性的流动性的情况下，我们所提出的方法是能够准确地跟踪AoD，实现更高的通信速率相比，更传统的方法，如粒子滤波。
2021-08-10 cs.IT math.IT
Auxiliary Beam Pair Enabled AoD and AoA Estimation in Closed-Loop Large-Scale mmWave MIMO Systems
信道估计在毫米波多输入多输出（MIMO）系统中至关重要。由于使用大型天线阵列，需要低复杂度的毫米波特定信道估计算法。在本文中，提出了一种辅助波束对设计，以提供高分辨率的估计信道的出发角（AoD）和到达角（AoA）的毫米波MIMO系统。通过相对于每个辅助波束对执行幅度比较，由接收器获得表征信道的AoD和AoA的一组比率测量。最佳比率测量或估计的AoD被量化并经由反馈信道反馈到发射机。所提出的技术可以被纳入控制信道设计，以最小化初始接入延迟。虽然设计原则是假设高功率制度，更现实的假设下的评估表明，通过采用所提出的方法，良好的角度估计性能是在各种信噪比水平和信道条件下实现的。
2016-12-22 cs.IT math.IT
How to Mobilize mmWave: A Joint Beam and Channel Tracking Approach
与许多快速移动的移动设备保持可靠的毫米波（mmWave）连接是5G系统理论和实践中的一个关键挑战。在本文中，我们开发了一种新的算法，可以联合跟踪波束方向和信道系数的毫米波传播路径使用相控天线阵列。尽管在这个问题上的显着困难，我们的算法可以同时实现快速跟踪速度，高跟踪精度，和低导频开销。在静态情况下，该算法能够以较高的概率收敛到波束指向的最小Cramér-Rao下界。仿真结果表明，该算法大大优于现有的几种算法。即使在信噪比低至5dB的情况下，我们的算法也能够跟踪角速度为5.45度/秒的移动台，并且通过每秒插入10个导频，使用32天线的相控阵天线实现超过95%的信道容量。
2018-02-13 cs.IT math.IT
mmWave Beam Selection in Analog Beamforming Using Personalized Federated Learning
针对毫米波模拟波束赋形在 non-IID 异构场景下的快速下行波束选择问题，提出个性化联邦学习方法及 FedLion 优化器，利用 Sub-6GHz 上行信道预测最佳波束，降低信令开销并显著提升准确率。
2023-09-30 cs.IT math.IT
Beam Alignment for the Cell-Free mmWave Massive MU-MIMO Uplink
毫米波（mmWave）无小区大规模多用户（MU）多输入多输出（MIMO）系统将毫米波频率处可用的大带宽与无小区系统的改进覆盖相结合。然而，为了对抗毫米波频率处的高路径损耗，用户设备（UE）必须在有意义的方向上形成波束，即，到附近的接入点（AP）。同时，多个UE应避免向同一AP进行传输以减少MU干扰。我们提出了一种干扰感知的方法，用于无小区毫米波大规模MU-MIMO上行链路中的波束对准（BA）。在所考虑的场景中，AP执行全数字接收波束成形，而UE执行模拟发射波束成形。我们评估我们的方法使用现实的毫米波信道从商业射线跟踪器，显示所提出的方法的优越性，全向传输，以及在不考虑MU干扰的方法。
2022-07-20 cs.IT eess.SP math.IT
Low Complexity Beamforming Training Method for mmWave Communications
本文介绍了一种低复杂度的方法，天线扇区选择毫米波混合MIMO通信系统，如无线局域网的IEEE 802.11ay修正案。该方法向后兼容于已经为发布的毫米波标准IEEE 802.11ad定义的方法。我们介绍了802.11ad信道模型的扩展，以支持常见的混合MIMO配置。所提出的方法进行评估，并通过穷举搜索发现的传输速率的理论极限相比。与现有技术的解决方案相比，所提出的方法仅需要稀疏信道信息。数值结果表明，一个显着的复杂性降低，在必要的训练的数量，同时接近最大可实现的速率。
2017-03-16 cs.IT math.IT
Dual Sub-6 GHz -- Millimeter Wave Beamforming and Communications to Achieve Low Latency and High Energy Efficiency in 5G Systems
我们提出了一种混合架构，它集成了RF（即，sub-6 GHz）和毫米波（mmWave）技术。特别是，毫米波频段的通信面临着巨大的挑战，由于可变信道，间歇性连接和高能耗。另一方面，数据的电子处理速度与毫米波接口的典型速率具有相同的量级，这使得使用复杂算法来跟踪信道变化并相应地调整资源是不切实际的。我们提出的架构集成了RF和毫米波接口的波束成形和数据传输，并利用接口之间的时空相关性。基于室内和室外环境中的大量实验，我们证明了集成的RF/mmWave信令和信道估计方案可以解决与mmWave波束成形相关的高能量使用和延迟问题。此外，在较高层处的两个接口之间的协作有效地解决了由高度间歇性的毫米波连接引起的高延迟。我们设计了一个调度器，充分利用毫米波带宽，而RF链路作为一个回退机制，以防止高延迟。为此，我们制定了一个最佳的调度问题，在RF和毫米波接口的目标是最大限度地提高延迟约束的吞吐量的毫米波接口。我们证明使用次加性分析，最优调度策略是基于一个单一的阈值，可以很容易地通过，尽管高链路变化。
2017-06-08 cs.IT math.IT
Joint Tx-Rx Beamforming and Power Allocation for 5G Millimeter-Wave Non-Orthogonal Multiple Access (MmWave-NOMA) Networks
在本文中，我们研究了非正交多址接入和毫米波通信（毫米波NOMA）的组合。被认为是一个下行链路蜂窝系统，其中模拟相控阵列都配备在基站和用户。提出了一种联合Tx-Rx波束成形和功率分配问题，在满足最小速率约束的条件下，最大化每个用户的可达和速率（ASR）。由于问题是非凸的，我们提出了一个次优的解决方案，三个阶段。在第一阶段，最优功率分配与封闭形式获得任意固定的Tx-Rx波束成形。在第二阶段中，具有封闭形式的最佳Rx波束成形设计用于任意固定Tx波束成形。在第三阶段，利用已有的结果将原问题转化为Tx波束形成问题，并提出一种边界压缩粒子群优化算法（BC-PSO）来获得次优解。通过大量的性能评估验证了所提方案的合理性，结果表明，所提方案的ASR性能接近上限，与现有方案和传统的毫米波正交多址接入（mmWave-OMA）系统相比，性能有了显著的提高。
2018-11-07 cs.IT math.IT
DBRAA: Sub-6 GHz and Millimeter Wave Dual-Band Reconfigurable Antenna Array for ISAC
本文提出双频段可重构天线阵列DBRAA，通过天线复用和混合波束成形实现sub-6G与毫米波频段的ISAC，并设计解耦优化算法最大化通信和速率。
2025-03-27 cs.IT math.IT
Impact of Beam Misalignment on Hybrid Beamforming NOMA for mmWave Communications
研究了毫米波多用户通信中基于混合波束形成的非正交多址接入技术。HB为下行链路多用户毫米波系统提供功率高效和低复杂度的预编码，这增加了系统的复用增益和频谱效率。将NOMA应用于基于HB的系统，称为HB-NOMA，可以扩展用户数量，同时提供高频谱效率。然而，每个NOMA簇中用户的有效信道之间的不完全相关性严重降低了HB-NOMA的可达速率。本文首先提出了HB-NOMA的和速率最大化问题，并提出了一种有效的算法来解决它。然后，它表明，在每个NOMA簇中的用户的有效信道之间的关系可以近似的相关因子。其次，分析了不完全相关性的影响，推导出了完全相关和不完全相关情况下用户可达速率的下界。最后，从一个不完美的相关性所造成的速率差距进行评估，并推导出一个严格的上限。仿真结果表明，低相关性降低了用户的可达速率。在大尺寸制度和单路径通道的下限是紧的。
2018-12-23 cs.IT math.IT
Joint Design of Hybrid Beamforming and Phase Shifts in RIS-Aided mmWave Communication Systems
本文研究了一种可重构智能地面（RIS）辅助毫米波（mmWave）下行通信系统，该系统在基站（BS）采用混合模拟-数字波束形成。我们制定了一个功率最小化问题，通过联合优化混合波束形成在BS和RIS的响应矩阵，信号干扰噪声比（SINR）的约束下。由于RIS处的相移和BS处的模拟波束成形两者的非凸SINR约束以及非凸单位模约束，该问题具有高度挑战性。提出了一种基于惩罚的算法结合流形优化技术来处理这个问题，其次是一个单独的优化方法，具有低得多的复杂性。仿真结果表明，该算法优于现有算法。结果还表明，RIS响应矩阵和BS混合波束形成的联合优化要远远优于单独优化。
2021-01-25 cs.IT math.IT
A Cascaded Multi-IRSs Beamforming Method in mmWave Communication Systems
本文研究了如何联合设计级联多个IRS的相移和BS的预编码矢量，以提高密集城区的覆盖。我们的目标是最大化的信号噪声比（SNR）的用户设备（UE）接收到的信号，通过采用这种方法。然而，它是一个约束非凸优化问题，是NP-难的。为了解决这个问题，我们简化它利用毫米波无线系统的特点，优化问题分解成多个子优化问题。利用毫米波系统中无线信道的渐近正交性来求解次优化问题，最终得到了一个封闭形式的次优化解。仿真结果表明，该方案能有效提高城市密集区的覆盖率。
2021-03-09 cs.IT math.IT
A Robust Time-Domain Beam Alignment Scheme for Multi-User Wideband mmWave Systems
具有大阵列增益的毫米波（mmWave）通信是下一代（5G）无线网络的关键组成部分。毫米波中的有效通信通常取决于对信道的了解。我们将在发射机和接收机处找到窄波束对的问题称为波束对准（BA），从而产生高信噪比（SNR）。先前的BA方案通常考虑确定性信道，其中假定瞬时信道系数在长时间内保持恒定。在本文中，相比之下，我们提出了一个时域BA方案的宽带毫米波系统，其中信道的特点是多径分量，不同的延迟，到达角/到达角（AoAs/AoDs），和多普勒频移。在我们提出的方案中，基站（BS）通过一些具有良好自相关特性的序列（例如，伪噪声（PN）序列），让每个用户估计其最佳AoA-AoD，该最佳AoA-AoD将用户连接到具有双侧高波束成形增益的BS。我们利用毫米波在AoA-AoD-时域中的稀疏性质，并将BA问题公式化为非负稀疏向量的压缩感知（CS）。我们使用最近开发的非负最小二乘（NNLS）技术，有效地找到最强的路径连接BS和每个用户。仿真结果表明，所提出的方案优于其对应的训练开销和快速信道变化的鲁棒性。
2017-11-29 cs.IT math.IT
MmWave Beam Prediction with Situational Awareness: A Machine Learning Approach
毫米波通信在高度移动的车辆环境中是一个挑战。传统的波束训练不足以满足低开销和延迟。在本文中，我们建议结合机器学习工具和态势感知，从过去的观察中学习波束信息（功率，最佳波束指数等）。我们考虑的形式是特定的车辆设置，包括接收器和周围车辆的位置的态势感知。我们利用回归模型来预测不同波束功率量化的接收功率。实验结果表明，态势感知可以大大提高预测精度，该模型可以在几乎零开销的情况下获得较小的性能损失和吞吐量。
2018-05-23 cs.IT math.IT
Sparse Beamspace Equalization for Massive MU-MIMO mmWave Systems
我们提出了基于均衡的数据检测算法的全数字毫米波（mmWave）大规模多用户多输入多输出（MU-MIMO）系统，利用稀疏性在波束空间域，以降低复杂度。我们提供了一个条件的用户数量，基站天线，和信道稀疏的波束空间均衡可以比传统的天线域处理复杂。我们评估现有的和新的波束空间均衡算法的性能复杂性的权衡使用模拟现实毫米波信道模型。我们的研究结果表明，我们提出的波束空间均衡算法之一，实现了高达8倍的复杂性降低视线条件下，假设一个足够大的数量内的信道相干间隔的传输。
2020-03-18 cs.IT eess.SP math.IT
Efficient Beam Alignment for mmWave Single-Carrier Systems with Hybrid MIMO Transceivers
毫米波（mmWave）频段的通信有望成为下一代（5G）无线网络的关键组成部分。有效的毫米波通信需要用于在用户设备（UE）和基站（BS）侧进行波束成形的快速且可靠的方法，以便在波束成形之后实现足够大的信噪比（SNR）。我们将在发射机和接收机处找到一对强耦合窄波束的问题称为波束对准（BA）问题。在本文中，我们提出了一种有效的BA单载波毫米波通信方案。在所提出的方案中，BS经由预先指定的伪随机波束成形码本和伪随机扩频码周期性地探测下行链路中的信道，让每个UE估计能量传递最大的多径信道的到达角/离开角（AoA-AoD）对。我们利用毫米波信道在AoA-AoD域中的稀疏特性，将BA问题公式化为稀疏非负向量的估计。基于最近开发的非负最小二乘法（NNLS）技术，我们有效地找到将每个UE连接到BS的最强AoA-AoD对。我们在一个真实的信道模型下评估了该方案的性能，其中传播信道由几个多径散射分量组成，每个分量具有不同的延迟，AoAs-AoD和多普勒频移。仿真结果表明，该方法对多径分量之间的大多普勒扩展引起的快速信道变化具有很强的鲁棒性。此外，我们还表明，在实现BA的波束形成的信道基本上是频率平坦的，这样的单载波通信不需要在时域中的均衡。
2018-06-17 cs.IT math.IT
Beam Management for Millimeter Wave Beamspace MU-MIMO Systems
毫米波（mmWave）通信作为用于5G网络的有前途的技术已经引起越来越多的关注。毫米波的关键架构特征之一是在发射器和接收器侧使用大规模天线阵列。因此，通过采用定向波束成形（BF），毫米波基站（MBS）和毫米波用户（MUE）都能够支持多波束同时传输。然而，大多数研究只考虑了单个波束，这意味着它们没有充分发挥毫米波的潜力。在此背景下，为了提高具有多次反射的短距离室内毫米波网络的性能，我们研究了下行链路多用户多波束传输的挑战和潜在解决方案，其可以被描述为高维（即，波束空间）多用户多输入多输出（MU-MIMO）技术，包括多用户BF训练、同时用户分组和多用户多波束功率分配。此外，我们提出的理论和数值结果表明，波束空间MU-MIMO相比，单波束传输可以大大提高毫米波系统的速率性能。
2018-09-30 cs.IT cs.NI math.IT
Versatile Compressive mmWave Hybrid Beamformer Codebook Design Framework
混合波束成形（HB）架构对于具有大型天线阵列的无线通信系统是有吸引力的，因为模拟波束成形级可以显著减少RF收发器的数量，从而降低功耗。在HB系统中，由于基带处理对通信信道的间接访问以及由于波束对准之前的低SNR，信道估计（CE）变得具有挑战性。已经采用基于压缩感知（CS）的算法来通过利用毫米波多输入多输出（mmWave MIMO）信道的稀疏性质来解决这些挑战。在窄带CE的许多CS算法中，混合波束形成器是随机配置的，这并不总是产生恢复保证依赖于相干性的那些CS算法所期望的低相干感测矩阵。在本文中，我们提出了一个通用的确定性HB码本设计框架的CS算法与基于相干的恢复保证，以提高CE的准确性。仿真结果表明，与随机码本相比，该设计在基于移相器、开关和透镜的HB结构中可以获得更低的信道估计误差和更高的频谱效率。
2019-09-21 cs.IT math.IT
Beam-Squint Mitigating for Reconfigurable Intelligent Surface Aided Wideband MmWave Communications
在本文中，我们专注于减轻波束斜视的可重构智能表面（RIS）辅助宽带毫米波（mmWave）通信。由于固有的无源特性，RIS中所有元件的相移对于所有频率都应该相同。然而，在宽带场景中，波束偏斜引起的不同路径相位需要针对不同频率设计不同的相移。考虑到RIS通常由巨大的元件组成，并且宽带毫米波通信的带宽可能高达几GHz，上述不可调和的矛盾将显著影响系统性能。因此，我们提出了一些新的相移设计方案，以减轻光束斜视的影响，为视线（LoS）和非视线（NLoS）的情况。具体而言，对于LoS场景，我们首先推导出每个频率的最佳相移，并通过最大化可实现速率的上限来获得公共相移。然后，对于NLoS场景，提出了一种基于平均信道协方差矩阵（MCCM）的方案，通过充分利用路径和子载波之间的相关性。我们广泛的数值实验证实了所提出的相移设计方案的有效性。
2021-03-20 cs.IT math.IT
Beam Selection for MmWave Massive MIMO Systems Under Hybrid Transceiver Architecture
混合模拟/数字预编码技术是一种在毫米波频段大规模多输入多输出（MIMO）系统中降低硬件成本的有效技术。在这封信中，我们提出了一个联合波束选择方案的模拟域预编码下的离散透镜阵列。通过考虑用户间的信道相关性，该方案能够避免用户间的干扰，最大化系统的和速率。此外，生物启发的蚁群优化算法，提出了一个接近最优的解决方案，大大降低了计算复杂性。最后通过仿真验证了该方案在提高系统和速率方面的优势。
2018-04-19 cs.IT math.IT
Sequential Hybrid Beamforming Design for Multi-Link mmwave Communication
在本文中，我们提出了一个顺序的混合波束成形设计多链路传输毫米波频段。作为起点，在BS和UE处经由传统的模拟波束成形来建立基线数据通信链路。如果额外的RF链在UE处可用，则其可以继续以相同的频率探测传播环境。在环境有利且系统资源允许的情况下，建立辅助数据通信链路以实现多流传输。原则上，辅链路可以由相同的BS和/或一个或多个其他BS服务。为了初始化辅数据通信链路，提出了并行束搜索方案，其帮助UE/BS找到具有给定优化标准的合适波束对，而不中断基线数据通信。通过应用所提出的两步方法，混合波束成形成为一个附加功能，可以很容易地切换到一个模拟波束成形使能系统，而不中断其操作时，系统需要。同时，如果基线数据通信链路发生信号阻塞，通过部署所提出的并行束搜索方案获得的信息也可以用于决定备用波束对。
2017-05-14 cs.IT math.IT
Initial Beam Association in Millimeter Wave Cellular Systems: Analysis and Design Insights
实现毫米波（mmWave）蜂窝系统的高数据率需要在基站和移动用户处部署大型天线阵列。这些大型阵列的波束成形权重需要被调谐以保证足够的波束成形增益。毫米波蜂窝网络的覆盖范围和速率的先前工作主要集中在基站和移动用户波束成形向量被完美地设计用于最大波束成形增益的情况下。然而，设计波束成形/组合向量需要训练，这可能影响毫米波蜂窝系统的SINR覆盖和速率。本文描述和评估毫米波蜂窝网络的性能，同时考虑波束训练/关联开销。首先，基于波束扫描和下行链路控制导频重用，开发了用于初始波束关联的模型。为了将波束训练的影响纳入系统性能，定义并采用了一种新的度量，称为有效可靠率。使用随机几何，毫米波蜂窝网络的有效可靠率推导出两种特殊情况下：与近正交的控制导频和与全导频复用。分析和仿真结果提供了三个重要问题的答案的见解：（i）波束关联对毫米波网络性能的影响是什么？(ii)在初始波束关联阶段应该采用正交还是复用的控制导频？(iii)波束训练阶段应该采用穷举搜索还是分层搜索？结果表明，除非采用的波束非常宽或系统相干块长度非常小，否则，完全导频重用的穷举搜索几乎与完美的波束对准一样好。
2016-02-21 cs.IT math.IT
Deep Learning for mmWave Beam and Blockage Prediction Using Sub-6GHz Channels
使用6 GHz以下信道预测毫米波（mmWave）波束和阻塞具有在可扩展的mmWave系统中实现移动性和可靠性的潜力。这些成果在过去几年中引起了越来越多的关注。然而，先前的工作集中在首先提取6 GHz以下频带的空间信道特性，然后使用它们来减少毫米波波束训练开销。该方法具有许多限制：（i）其仍然需要在毫米波下的束搜索，（ii）其性能对与提取亚6 GHz信道特性相关联的误差敏感，以及（iii）其通常不考虑不同频带处的不同介电性质。在本文中，我们首先证明了在一定条件下，存在映射函数，可以预测的最佳毫米波波束和正确的阻塞状态直接从sub-6 GHz的信道，克服了以前的工作的局限性。然而，这些映射函数很难分析地表征，这促使利用深度神经网络模型来学习它们。为此，我们证明了足够大的神经网络可以使用6 GHz以下的信道直接预测最佳毫米波波束和正确的阻塞状态，成功概率可以任意接近1。然后，我们开发了一个有效的深度学习模型，并使用公开的数据集DeepMIMO对其波束/阻塞预测性能进行了经验评估。结果表明，所提出的解决方案可以预测毫米波阻塞与90以上的$\%$成功概率。此外，这些结果证实了所提出的深度学习模型在预测最佳毫米波波束和接近最佳数据率方面的能力，其假设完美的信道知识，同时不需要波束训练开销。
2019-11-02 cs.IT eess.SP math.IT
Millimeter-Wave Communication with Non-Orthogonal Multiple Access for 5G
为了进一步提高5G的系统容量，我们探索在未来的5G系统中将非正交多址接入（NOMA）集成到毫米波通信（mmWave-NOMA）中。与传统的NOMA相比，毫米波NOMA的显著特点是，它通常以大天线阵列的发射/接收波束形成为特征。在本文中，我们专注于毫米波NOMA由于波束成形的设计挑战。首先，我们研究了波束形成对mmWave-NOMA和速率性能的影响，发现在传统的单波束形成下，NOMA用户之间的相对角度可能会抵消性能。然后，我们考虑多波束形成的毫米波NOMA，这是能够实现有前途的性能增强以及鲁棒性。我们进一步研究了mmWave-NOMA的交织功率分配和用户配对的具有挑战性的联合设计。我们还讨论了挑战，并详细提出了一些潜在的解决方案。最后，我们考虑混合空分多址（SDMA）和NOMA在毫米波通信，其中一些可能的系统配置和相应的解决方案进行了讨论，以解决多用户问题，包括多用户预编码和多用户干扰（MUI）缓解。
2017-09-23 cs.IT math.IT
Sparsity-Adaptive Beamspace Channel Estimation for 1-Bit mmWave Massive MIMO Systems
我们提出了稀疏自适应波束空间信道估计算法，提高精度的1位数据转换器在全数字毫米波（mmWave）大规模多输入多输出（MIMO）基站。我们的算法包括一个调整阶段的基础上斯坦的无偏风险估计（SURE），自动选择最佳的去噪参数取决于瞬时信道条件。与视线（LoS）和非LoS毫米波大规模MIMO信道模型的仿真结果表明，我们的算法提高信道估计精度与1位测量的计算效率的方式。
2020-05-30 cs.IT eess.SP math.IT
CSI Transfer From Sub-6G to mmWave: Reduced-Overhead Multi-User Hybrid Beamforming
针对多用户混合波束成形中导频开销过大的问题，提出SA-MUHBF框架，利用卷积神经网络和图神经网络从sub-6G信道预测mmWave波束空间并选择波束，显著降低了开销并提升了频谱效率与泛化能力。
2024-11-14 cs.IT eess.SP math.IT
Vision-Assisted mmWave Beam Management for Next-Generation Wireless Systems: Concepts, Solutions and Open Challenges
本文提出了一种基于视觉数据的毫米波波束管理综合框架，利用机器学习算法在无需信道信息的情况下为用户设备选择最佳波束，并构建仿真平台验证了其在下一代无线系统中的有效性。
2023-03-31 cs.IT eess.SP math.IT
Beamspace SU-MIMO for Future Millimeter Wave Wireless Communications
对于未来的网络（即，第五代（5G）无线网络及以后），具有大的可用未许可频谱的毫米波（mmWave）通信是实现千兆多媒体应用的有前景的技术。由于毫米波无线电的短波长，大规模的天线阵列可以封装到毫米波收发器的有限尺寸中。因此，通过定向波束成形（BF），毫米波发射机（MTX）和毫米波接收机（MRX）都能够支持5G网络中的多个波束。然而，对于MTX和MRX之间的传输，大多数工作仅考虑了单个波束，这意味着它们没有充分利用毫米波的潜力。此外，单波束传输的连通性很容易被阻塞。在这种情况下，我们提出了一个单用户多波束并发传输方案，未来毫米波网络与多个反射路径。基于空间频谱重用，该方案可以被描述为波束空间中的多输入多输出（MIMO）技术（即，在波束数域中）。此外，本研究探讨了实现该方案的挑战和潜在的解决方案，包括多波束选择，合作波束跟踪，多波束功率分配和同步。理论分析和数值仿真结果表明，该波束域SU-MIMO能够在保持网络连通性的同时，大幅度提高MTX和MRX之间传输的可达速率。
2017-04-14 cs.IT cs.NI math.IT
BEACHES: Beamspace Channel Estimation for Multi-Antenna mmWave Systems and Beyond
大规模多天线毫米波（mmWave）和太赫兹无线系统承诺在相同的时间-频率资源中向多个用户设备进行高带宽通信。在这样的频率下波传播的高路径损耗和利用大规模天线阵列的波束成形的细粒度性质需要精确的信道估计以充分利用这样的系统的优点。在本文中，我们提出了波束空间信道估计（BEACHES），一个低复杂度的信道估计算法多天线毫米波系统和超越。BEACHES利用高频波传播是定向的这一事实，这使我们能够对波束空间域中的（近似）稀疏信道状态信息进行降噪。为了避免繁琐的参数选择，海滩包括一个计算效率高的调谐阶段，可证明最大限度地减少在大天线限制的信道估计的均方误差。为了证明BEACHES的有效性，我们提供了视距（LoS）和非LoS毫米波信道模型的仿真结果。
2019-08-08 cs.IT eess.SP math.IT
Learning Beam Codebooks with Neural Networks: Towards Environment-Aware mmWave MIMO
按比例增加天线的数量是当前和未来无线通信系统的关键特性。然而，硬件成本和功耗促使大规模MIMO系统（尤其是在毫米波（mmWave）频带处）依赖于仅模拟或混合模拟/数字收发器架构。在这些架构下，毫米波基站通常使用预定义的波束成形码本进行初始接入和数据传输。然而，当前的波束码本通常采用单瓣窄波束并且扫描整个角空间。这导致高波束训练开销和可实现的波束成形增益的损失。在本文中，我们提出了一个新的机器学习框架学习波束形成码书在硬件受限的大规模MIMO系统。更具体地说，我们开发了一个神经网络架构，该架构考虑了硬件约束，并学习了适应周围环境和用户位置的波束码本。仿真结果突出了所提出的解决方案在学习多瓣波束和减少码本大小方面的能力，与经典码本设计方法相比，这导致了显著的增益。
2020-02-25 cs.IT eess.SP math.IT
Joint Optimization of Active and Passive Beamforming in Multi-IRS Aided mmWave Communications
智能反射面（IRS）被认为是缓解毫米波（mmWave）通信中阻塞效应、提高覆盖率的一种很有前途的技术。为了探索IRS对毫米波通信性能的影响，我们研究了多IRS辅助的毫米波通信网络，并通过联合优化有源和无源波束成形以及用于辅助的IRS集合来制定和速率最大化问题。由于目标函数缺乏凸性和IRS选择变量的二进制性质，优化问题是棘手的。为了解决复杂的非凸问题，提出了一种交替迭代方法。特别地，利用分式规划方法对主、被动波束形成进行了优化，并通过枚举法求解了IRS选择的优化问题。仿真结果表明，我们所提出的方法的性能增益。
2022-10-04 cs.IT eess.SP math.IT
A Survey of Beam Management for mmWave and THz Communications Towards 6G
本文综述了面向6G的毫米波和太赫兹通信中的波束管理，涵盖初始接入与波束跟踪，分析了窄波束开销、信道波动等挑战，并探讨了AI、RIS和ISAC带来的机遇与未来研究方向。
2024-02-06 cs.IT cs.SY eess.SY
Low-complexity Beam Selection algorithms based on SVD for MmWave Massive MIMO Systems
为了在实践中实现毫米波大规模MIMO系统，具有波束选择的波束空间MIMO以显著减少的射频（RF）链的数量提供了有吸引力的解决方案。我们提出了基于奇异值分解（SVD）的低复杂度波束选择算法。首先通过奇异值分解对信道矩阵进行对角化，然后根据和速率最大化准则，以递减或递增的顺序逐个选择合适的波束。为了显著降低算法的复杂度，我们在最后一次迭代中利用奇异值分解来避免从头开始进行奇异值分解。同时，我们提出的算法自然地获得预编码矩阵，可以消除多用户干扰。仿真结果表明，我们提出的算法可以优于竞争算法，包括全数字零预编码。
2022-07-11 cs.IT eess.SP math.IT
ViWi Vision-Aided mmWave Beam Tracking: Dataset, Task, and Baseline Solutions
视觉辅助无线通信受到深度学习和计算机视觉的最新进展以及对毫米波（mmWave）和太赫兹系统中视线链路的日益依赖的推动。通过利用视觉，这一新的研究方向实现了一系列有趣的新功能，例如视觉辅助毫米波波束和阻塞预测、主动切换和资源分配等。这些功能有可能可靠地支持高度移动的应用，例如车辆/无人机通信以及毫米波和太赫兹系统中的无线虚拟/增强现实。然而，研究这些有趣的应用程序需要开发特殊的数据集和机器学习任务。基于Vision-Wireless（ViWi）数据集生成框架[1]，本文开发了一个先进而现实的场景/数据集，具有多个基站，移动用户和丰富的动态。在此数据集的支持下，本文定义了视觉无线毫米波波束跟踪任务（ViWi-BT），并提出了一个基线解决方案，可以为未来的ViWi-BT算法提供初始基准。
2020-02-13 cs.IT eess.SP math.IT
Comparative Study on Millimeter Wave Location-Based Beamforming
本文对基于信道估计的毫米波模拟波束形成技术进行了比较研究。定位和压缩感知（CS）有效地降低了毫米波BF复杂度，并增强了与传统毫米波模拟BF技术相当的毫米波系统的性能。基于信道状态信息（CSI）的BF技术在使用CS构造mmWave信道感测矩阵时具有高复杂度。基于位置服务的技术通过定义用户设备（UE）最可能存在的区域来高度降低这种复杂性。在本文中，我们研究了毫米波定位为基础的BF使用各种定位服务的性能。其中，使用基于信道估计的CS来进行BF，以估计毫米波信道的出发角（AoD）和到达角（AoA）。
2018-08-21 cs.IT eess.SP math.IT
Federated mmWave Beam Selection Utilizing LIDAR Data
由于波束选择带来的开销，毫米波通信系统中的高效链路配置是一项关键而又具有挑战性的任务。对于车辆到基础设施（V2I）网络，来自安装在车辆上的LIDAR传感器的边信息已经被利用来减少束搜索开销。在这封信中，我们提出了一个联邦激光雷达辅助波束选择方法的V2I毫米波通信系统。在所提出的方案中，在系统的正常操作期间，连接的车辆协作以在其本地可用的LIDAR数据上训练共享的神经网络（NN）。我们还提出了一种降低复杂度的卷积NN（CNN）分类器架构和LIDAR预处理，在性能和复杂度方面都显着优于以前的作品。
2021-07-25 cs.IT eess.SP math.IT
A Block Sparsity Based Estimator for mmWave Massive MIMO Channels with Beam Squint
多输入多输出（MIMO）毫米波（mmWave）通信是下一代无线网络的关键技术。利用具有增加的带宽的大量天线的后果之一是阵列导向矢量在不同的子载波之间变化。由于这种被称为波束偏斜的效应，传统的信道模型不再适用于毫米波大规模多输入多输出系统。在本文中，我们研究信道估计下产生的非标准模型。为此，我们首先从阵列信号处理的角度分析了波束偏斜效应，从而建立了一个模型，该模型揭示了毫米波传输的角度延迟稀疏性。接下来，我们设计了一种基于压缩感知的信道估计算法，该算法利用了该信道模型的平移不变块稀疏性。该算法联合计算离网角、离网时延和多径信道的复增益。我们表明，新提出的方案更准确地反映了毫米波信道，与传统方法相比，性能得到了改善。然后，我们演示了如何可以应用这种方法来恢复频分双工（FDD）系统中的上行链路和下行链路信道，通过利用毫米波信道的角度延迟互易性。
2019-04-28 cs.IT eess.SP math.IT
Hybrid Beamforming for Intelligent Reflecting Surface Aided Millimeter Wave MIMO Systems
由于采用毫米波（mmWave）频段的通信系统必须使用大型天线阵列来克服mmWave信号的严重传播损耗，因此混合波束成形已被认为是mmWave通信的组成部分。最近，智能反射表面（IRS）已经被提出作为一种创新技术，其可以通过使用低成本的无源反射元件来显著改善毫米波通信系统的性能。在本文中，我们研究了红外辅助毫米波多输入多输出（MIMO）系统与混合波束形成架构。本文首先利用毫米波信道的稀疏散射结构和大尺度特性，研究了窄带MIMO系统中IRS反射矩阵和混合波束形成器的联合设计。然后，我们将所提出的联合设计推广到宽带MIMO系统与正交频分复用（OFDM）调制，利用频率选择性毫米波信道的角度稀疏。仿真结果表明，所提出的联合设计可以显着提高系统的频谱效率，并实现优于现有设计的性能。
2022-06-27 cs.IT eess.SP math.IT
Beam Switching Based Beam Design for High-Speed Train mmWave Communications
针对高速列车毫米波通信中窄波束切换频繁、宽波束信号弱的问题，提出两种含交替执行阶段的顺序波束设计方案，通过转化优化问题降低计算复杂度且性能损失小。
2024-11-27 cs.IT eess.SP math.IT
Sub-Chain Beam for mmWave Devices: A Trade-off between Power Saving and Beam Correspondence
波束对应性或下行链路-上行链路（DL-UL）波束互易性是指DL中的最佳波束也是UL中的最佳波束的假设。这是允许5G中的现有波束管理框架严重依赖DL波束扫描并避免UL波束扫描的重要假设：UL波束是从DL参考信号的测量推断的。当无线电配置在DL和UL中对称时，波束对应性成立。然而，随着毫米波技术的成熟，DL和UL面临着不同的约束，通常会破坏波束对应关系。例如，功率约束可能要求UE仅激活其天线阵列的一部分以用于UL传输，同时仍然激活整个阵列以用于DL接收。同时，如果带子阵的上行波束（本文称为子链波束）与下行波束具有相似的辐射方向图，则波束对应关系仍然成立。本文提出了子链波束码本设计的方法，以实现功率节省和波束对应之间的权衡。
2021-12-23 cs.IT eess.SP math.IT
