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
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
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
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
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
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
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
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
Non-Orthogonal Multiple Access Based on Hybrid Beamforming for mmWave Systems
本文旨在研究利用非正交多址接入（NOMA）的混合波束形成（HB）多用户系统（HB-NOMA），以服务于大量的移动用户（MU）。首先，HB-NOMA问题的和率表达式制定。其次，提出了一种次优算法，以最大化和速率。然后，在信道增益最高的MU与簇内其他MU的有效信道向量夹角为非零的条件下，推导出了可达速率的下界，即不完全相关。下限指示低效的MU集群可能在网络中引起严重的集群间干扰。为了验证我们的研究结果，进行了数值模拟。
2018-04-15 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
Joint Power Allocation and Beamforming for Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) in 5G Millimeter-Wave Communications
在本文中，我们探讨毫米波（mmWave）通信（mmWave-NOMA）中的非正交多址（NOMA）。特别是，我们考虑一个典型的问题，即，2用户mmWave-NOMA系统的和速率的最大化。在这个问题中，我们需要找到波束成形向量，以同时转向两个用户，同时受到模拟波束成形结构的影响，同时为它们分配适当的功率。由于问题是非凸的，可能不会被转换为一个凸的问题，简单的操作，我们提出了一个次优的解决方案，这个问题。其基本思想是将原始的联合波束赋形和功率分配问题分解为两个相对容易求解的子问题：一个是功率和波束增益分配问题，另一个是恒模约束下的波束赋形问题。还讨论了所提出的解决方案从2用户mmWave-NOMA到更多用户mmWave-NOMA的扩展。通过大量的性能评估验证了该方案的合理性，结果表明，该次优方案获得了接近于有界的和速率性能，明显优于时分多址（TDMA）方案。
2017-11-04 cs.IT math.IT
Beamforming in Millimeter Wave Systems: Prototyping and Measurement Results
论证大天线阵列波束形成的可行性对于实现毫米波通信系统是必不可少的。这是由于这些系统依赖于大阵列波束成形增益来提供足够的接收信号功率。在本文中，详细解释了在实践中证明这些收益的概念验证原型的设计。我们开发了一个毫米波系统与数字控制的模拟前端。开发的原型使用60 GHz相控阵和通用软件无线电外设（USRP）控制器。我们设计的软件界面易于复制，可用于未来的毫米波原型和演示。
2018-08-04 cs.IT math.IT
User Fairness Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) for 5G Millimeter-Wave Communications with Analog Beamforming
在第五代移动通信（5G）中，毫米波非正交多址接入（mmWave-NOMA）技术的引入可以显著提高频谱效率，增加用户数量。在本文中，我们考虑了下行mmWave-NOMA蜂窝系统，其中基站安装有模拟波束成形相控阵列，多个用户在同一时间频率资源块服务。为了保证用户公平性，我们制定了一个联合波束成形和功率分配问题，以最大化用户之间的最小可实现速率，即，我们采用最大最小公平原则。由于问题是难以解决的，由于非凸公式和高维的优化变量，我们提出了一个次优的解决方案，它利用了空间稀疏的角度域的毫米波信道。在求解过程中，首先得到最优功率分配的封闭形式，将联合优化问题转化为一个等价的波束形成问题。然后设计合适的波束形成向量。仿真结果表明，该方案在可达速率方面可以达到接近上限的性能，明显优于传统的毫米波正交多址（mmWave-OMA）系统。
2018-11-07 cs.IT 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
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
Deep Learning Coordinated Beamforming for Highly-Mobile Millimeter Wave Systems
在毫米波（mmWave）系统中支持高移动性使得能够实现诸如车辆通信和无线虚拟/增强现实之类的广泛的重要应用。然而，在实践中实现这一点需要克服几个挑战。首先，窄波束的使用和毫米波信号对阻塞的敏感性极大地影响了高度移动链路的覆盖范围和可靠性。其次，密集毫米波部署中的高度移动用户需要频繁地在基站（BS）之间切换，这与关键控制和延迟开销相关联。此外，在大型天线阵列毫米波系统中识别最佳波束成形向量需要相当大的训练开销，这显著影响了这些移动系统的效率。在本文中，开发了一种新型的集成机器学习和协调波束成形解决方案，以克服这些挑战，并实现高度移动的毫米波应用。在所提出的解决方案中，多个分布式但协调的BS同时服务于移动用户。该用户理想地仅需要发送一个上行链路训练导频序列，该上行链路训练导频序列将在协调BS处使用全向或准全向波束图案被联合接收。这些接收到的信号不仅为用户位置，而且还为其与周围环境的交互绘制定义签名。然后，开发的解决方案利用深度学习模型，该模型学习如何使用这些签名来预测BS处的波束成形向量。这提供了一个全面的解决方案，支持高度移动的毫米波应用，具有可靠的覆盖范围，低延迟和可忽略的训练开销。仿真结果表明，所提出的深度学习协调波束形成策略接近于基因辅助解决方案的可实现速率，该解决方案知道最佳波束形成向量而无需训练开销。
2019-02-22 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
Deep Active Learning Approach to Adaptive Beamforming for mmWave Initial Alignment
本文提出了一种深度学习方法，用于在具有单路径信道的毫米波环境中的初始接入阶段的自适应和顺序波束成形设计问题。对于一个单用户的情况下，该问题相当于设计的序列感测波束形成器来学习的主要路径的到达角（AoA），我们提出了一种新的深度神经网络（DNN），设计的自适应传感矢量顺序的基础上，到目前为止在基站（BS）。通过认识到AoA后验分布是解决初始接入问题的充分统计量，我们使用后验分布作为所提出的DNN的输入，用于设计自适应感知策略。然而，当信道衰落系数未知时，计算后验分布可能在计算上具有挑战性。为了解决这个问题，本文提出了使用衰落系数的估计来计算后验分布的近似。此外，本文表明，所提出的DNN可以处理实际的波束成形约束，如恒模约束。数值结果表明，与现有的自适应和非自适应波束形成方案相比，所提出的基于DNN的自适应感知策略实现了显着更好的AoA捕获性能。
2021-05-21 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
Analog Beamsteering for Flexible Hybrid Beamforming Design in Mmwave Communications
在本文中，我们提出了一种模拟波束控制方法，使灵活的混合波束形成设计，可以实现性能接近奇异值分解（SVD）的数字波束形成与单用户的情况下。作为起点，假设使用具有无限精度的码本，我们在BS和UE侧应用天线阵列响应矩阵的转置作为模拟波束形成器。所得到的有效信道矩阵，包括传播信道和模拟波束形成器被证明是能够提供一个最大的可实现的速率非常接近基于SVD的数字波束形成在低到中等SNR。接下来，分析了有限大小码本对实际模拟波束形成器设计的影响。一个封闭形式的推导得到映射速率损失的天线数量，码本大小和接收的SNR。分析表明，为了实现性能可比的模拟波束形成与无限精度，码本大小应至少大于实现的天线的数量。因此，所提出的模拟波束形成方法可以独立设计，而无需考虑数字波束形成。这种方法可以导致灵活的混合波束形成架构的发展，其可以通过灵活的模拟波束选择来适应不断变化的传播环境，并通过适当的数字波束形成器设计来最大化空间复用增益。
2017-05-14 cs.IT 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
Joint Design of Hybrid Beamforming and Reflection Coefficients in RIS-aided mmWave MIMO 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，在所有用户的信号干扰噪声比（SINR）的约束下。由于RIS反射系数和模拟波束形成器的非凸SINR约束以及单位模相移约束，该问题是非常具有挑战性的解决。提出了一种基于两层惩罚的算法来解耦SINR约束中的变量，并采用流形优化来处理非凸的单位模约束。{We本文还提出了一种低复杂度的顺序优化方法，该方法无需迭代，依次优化RIS反射系数、模拟波束形成器和数字波束形成器。此外，功率最小化问题和最大最小公平性（MMF）问题之间的关系进行了讨论。仿真结果表明，所提出的基于惩罚的算法优于最先进的半定松弛（SDR）的算法。结果还表明，RIS在降低功耗方面起着重要作用。
2022-02-14 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
Full-stack Hybrid Beamforming in mmWave 5G Networks
本文分析了毫米波（mmWave）第五代（5G）蜂窝网络中的混合波束成形（HBF）和多用户多输入多输出（MU-MIMO），考虑了具有TCP/IP流量和MAC调度的全协议栈。HBF和MU-MIMO上的先前工作假设全缓冲传输并研究了链路级性能。我们报告的HBF技术，前载信道估计导频方案在NR，和MU-MIMO调度的约束之间的非平凡的相互作用。我们还报告说，联合多用户波束成形设计是必要的，在这个意义上说，MU-MIMO系统不能被充分利用时，实现为一个纯粹的收集单用户模拟波束并行工作。通过解决这些问题，可以通过空分多址（SDMA）在mmWave 5G网络中显着增加吞吐量。
2020-10-13 cs.IT eess.SP math.IT
Cascaded Channel Estimation for IRS-assisted Mmwave Multi-antenna with Quantized Beamforming
在这封信中，我们优化的级联信道的信道估计器在智能反射面（IRS）辅助毫米波（mmWave）多天线系统。在该系统中，接收端采用了量化波束形成的混合结构。与传统的多输入多输出（MIMO）系统不同，由于IRS通常是一个无源阵列，信号处理能力有限，因此信道估计的设计具有挑战性。我们推导出优化的信道估计器在一个封闭的形式重新制定的级联信道估计在这个系统中的问题，利用典型的均方误差（MSE）标准。考虑到毫米波信道中可能存在的信道稀疏性，我们通过利用信道稀疏性进一步提高性能和降低计算复杂性来推广所提出的方法。仿真结果表明，所提出的估计器显着优于现有的。
2020-10-02 cs.IT eess.SP math.IT
Escaping the Densification Plateau in Cellular Networks Through mmWave Beamforming
通过研究信号干扰噪声比（SINR）和区域频谱效率（ASE），研究了密集多天线毫米波（mmWave）蜂窝网络的性能如何随基站（BS）空间密度$λ$而变化。如果在每个BS的天线的数量至少与$λ$线性缩放，这增加了可能的波束配置的数量和它们的主瓣增益，并降低它们的旁瓣增益，我们证明了SINR接近一个有限的随机变量，这是独立的$λ$和ASE至少与$λ$线性缩放。相反，如果天线的数量与$λ$成次线性比例，则SINR衰减到零并且ASE饱和到常数。因此，通过移动到具有连续更小天线的更高载波频率，并利用相应增加的方向性，蜂窝运营商原则上可以避免蜂窝网络中的致密化平台（或崩溃），而是继续通过BS致密化收获线性总和吞吐量增益。
2020-06-30 cs.IT 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
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
Are mmWave Low-Complexity Beamforming Structures Energy-Efficient? Analysis of the Downlink MU-MIMO
基于使用高于6 GHz的频率（所谓的毫米波（mmWave）带宽）的未来蜂窝系统将严重依赖于在发射器和接收器两者处使用天线阵列，可能具有大量元件。由于复杂性的原因，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）系统的下行链路。基于最近可用的移相器和开关的能耗数据，我们表明，在某些情况下，全数字波束形成器可以实现比低复杂度解决方案更高的能效，以及基于专用开关的结构在现实场景中实现相当不理想的性能。
2016-10-23 cs.IT math.IT
Narrowband Channel Estimation for Hybrid Beamforming Millimeter Wave Communication Systems with One-bit Quantization
毫米波（mmWave）频谱由于其巨大的可用带宽而引起关注。毫米波频带中的高传播损耗需要使用大量天线进行波束成形。传统上，每个天线都与高速模数转换器（ADC）配对，这导致高功耗。为了降低功耗，人们提出了混合波束成形架构和一位分辨率ADC。然而，模拟波束成形和一比特量化使得信道估计更具挑战性。本文提出了一种基于广义近似消息传递（GAMP）的毫米波通信系统窄带信道估计算法。我们通过仿真表明，1）GAMP变体与一位ADC具有更好的性能比没有量化的最小二乘估计方法，2）所提出的一位GAMP算法实现了最低的估计误差的GAMP变体中，和3）利用更多的帧和RF链提高信道估计性能。
2018-05-30 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
Statistical CSI Based Hybrid mmWave MIMO-NOMA with Max-Min Fairness
非正交多址（NOMA）和毫米波（mmWave）是第五代（5G）移动网络及以后的两种关键使能技术。在本文中，我们考虑毫米波NOMA系统的最大-最小公平性约束。一方面，现有的波束形成设计，旨在最大限度地提高频谱效率（SE）是不适合的NOMA系统的公平性，在本文中。另一方面，以前关于毫米波NOMA的工作主要依赖于对信道状态信息（CSI）的充分了解，这在毫米波通信系统中是非常难以准确获得的。为了解决这个问题，我们提出了一个启发式的混合波束形成设计的基础上统计CSI（SCSI）用户分组策略。首先提出了一种模拟波束形成方案，在第一阶段对整个簇内的用户进行合并，以减轻簇间干扰。在此基础上，提出了两种基于SCSI的数字波束形成方案，进一步抑制干扰。一种是广泛使用的迫零（ZF）方法，另一种是从正交多址（OMA）系统扩展的信号泄漏加噪声比（SLNR）度量导出的。从用户反馈的有效增益用于功率分配。我们引入二次变换（QT）方法和二分法重新制定这个复杂的问题，使之可解。仿真结果表明，我们提出的算法优于以前的算法在用户公平性。
2021-01-06 cs.IT math.IT
Spectrum Sharing in mmWave Cellular Networks via Cell Association, Coordination, and Beamforming
本文研究了毫米波网络中多个蜂窝运营商的频谱共享是传统专用频谱分配的可行替代方案的程度。具体而言，我们开发了一个通用的数学框架，通过该框架来表征使用频谱共享时可以获得的性能增益，作为底层波束成形，运营商协调，带宽和基础设施共享场景的函数。该框架基于联合波束成形和小区关联优化，目标是最大化用户的长期吞吐量。我们的渐近和非渐近性能分析揭示了五个关键点：（1）具有轻的按需运营商内和运营商间协调的频谱共享是可行的，特别是在较高的毫米波频率下（例如，73GHz），（2）用户设备处的定向通信基本上减轻了频谱共享的潜在缺点（例如更高的多用户干扰），（3）大量的天线元件可以减少对协调的需要并简化频谱共享的实现，（4）虽然在大天线范围内可以忽略运营商间的协调，运营商内协调仍然可以通过平衡网络负载而带来增益，以及（5）基站、运营商和用户设备之间的关键控制信号应当例如通过专用资源分配而被保护免受频谱共享的不利影响。本文的结果，以及通过放松一些理想假设得到的扩展，可以为未来的标准化和频谱政策提供重要的见解。
2016-10-03 cs.IT math.IT
Beamforming Learning for mmWave Communication: Theory and Experimental Validation
Concordia University（康考迪亚大学）；Nokia Bell Laboratories（诺基亚贝尔实验室）；Texas A&M University at Qatar（德克萨斯农工大学卡塔尔分校）
为了建立可靠的长距离毫米波（mmWave）通信，波束成形被认为是一种有前途的解决方案。虽然波束成形可以在数字和模拟域中完成，但在毫米波通信方面，这两种方法都受到几个限制的阻碍。例如，在毫米波系统中执行全数字波束成形涉及使用许多昂贵且消耗高功率的射频（RF）链。这需要找到更有效的方法来使用更少的RF链，同时利用大型天线阵列。克服这一挑战的一种方法是通过移相器的适当配置来采用（部分或全部）模拟波束成形。关于毫米波模拟波束设计的现有工作依赖于阵列内每个天线的信道状态信息（CSI）的知识，需要大的搜索时间（例如，穷举搜索）或不保证最小波束成形增益（例如，基于码本的波束成形）。在本文中，我们提出了一种波束设计技术，减少了搜索时间，不需要CSI，同时保证最小的波束形成增益。关键的想法来自于从现实生活中的测量得出的观察结果。观察到对于给定的传播环境（例如，在毫米波BS的覆盖区域）中，主导信号的方位角从某些角度比从其它角度更可能。因此，预先收集的测量可以用于构建重新分组最可能的波束设计的波束成形码本。我们调用贝叶斯学习测量聚类。我们评估所提出的方案在构建码本和通过实际测量评估其性能方面的有效性。我们证明，所提出的计划所需的训练时间只有5%的穷举搜索。在实现最小目标波束成形增益的同时获得该关键增益。
2019-12-28 cs.IT cs.LG cs.NI
DRL-based Joint Beamforming and BS-RIS-UE Association Design for RIS-Assisted mmWave Networks
可重构智能表面（RIS）由于能够建立可重构的无线传播网络，被认为是解决毫米波通信阻塞问题的一种非常有前途的技术。在本文中，我们专注于由多个基站（BS）服务的一组用户设备（UE）的RIS辅助毫米波通信网络。考虑到BS-RIS-UE关联问题决定了RIS应该帮助哪个BS和UE，我们联合优化BS-RIS-UE关联和RIS处的被动波束成形，以最大化系统的和速率。为了解决这一棘手的非凸问题，提出了一种基于软行动者-批评者（SAC）深度强化学习（DRL）的联合波束形成和BS-RIS-UE关联设计算法，该算法通过与环境交互，使用较少的先验信息学习最佳策略，并结合策略信息熵最大化，避免陷入局部最优解。仿真结果表明，与基准方案相比，所提出的SAC-DRL算法可以获得显着的性能增益。
2022-02-19 cs.IT eess.SP math.IT
Fixed Region Beamforming using Frequency Diverse Subarray for Secure Mmwave Wireless Communications
使用传统相控阵列（CPA）的毫米波（mmWave）实现了高度定向和固定角度波束成形（FAB），因此增强了角度域中的物理层安全性（PLS）。然而，由于窃听者位于信息承载波束的主瓣所指向的方向上，信息泄漏是不可避免的，并且FAB不能保证PLS性能。为了解决这个问题，我们提出了一种新的固定区域波束形成（FRB），采用频率分集子阵列（FDSA）架构，以提高PLS性能的毫米波定向通信。特别是，我们仔细介绍了多个频率偏移增量（FOI）的子阵列，以实现一个复杂的波束合成，确保有限的信息传输仅在所需的角度范围内的区域（DARR）在目标用户附近。更具体地说，我们制定了可能的子阵列FOI上的FRB的保密率最大化问题，并考虑两种情况下的利益，即，无/有位置信息的窃听，这两个都是NP-难的。对于未知窃听位置的情况下，我们提出了一种导引头优化算法，以最小化DARR之外的波束图的最大旁瓣峰值。对于已知窃听位置的情况，提出了一种块坐标下降线性近似算法，以最小化窃听区域内的旁瓣电平。通过使用所提出的FRB，所有子阵的主瓣相长地叠加在DARR中，而旁瓣相消地叠加在DARR之外。因此，FRB在限制DARR内的信息传输方面发挥了突出的作用。数值模拟表明，提出的基于FDSA的FRB可以提供优于基于CPA的FAB的PLS性能。
2019-03-25 cs.IT math.IT
Deep Learning for Hybrid Beamforming with Finite Feedback in GSM Aided mmWave MIMO Systems
Tsinghua University（清华大学）；Beijing National Research Center for Information Science and Technology（北京信息科学与技术国家研究中心）
混合波束形成是毫米波多输入多输出系统的重要技术。为了提高频谱利用率，进一步引入了广义空间调制（GSM）技术。然而，大多数现有的波束成形工作假设完美的信道状态信息（CSI），这是不现实的，在实际系统中。本文研究了GSM辅助频分复用（FDD）mmWave MIMO系统中下行导频训练、信道估计、CSI反馈和混合波束形成的联合优化问题。在深度学习的帮助下，通过无监督学习以端到端的方式设计GSM混合波束形成器。实验结果表明，与传统算法相比，本文提出的多分辨率网络GsmEFBNet能够以更少的反馈比特数获得更高的可达速率。
2023-02-15 cs.AI cs.IT eess.SP
Reconfigurable Intelligent Surface-Aided Full-Duplex mmWave MIMO: Channel Estimation, Passive and Hybrid Beamforming
毫米波（mmWave）全双工（FD）是一种很有前途的技术，可以通过最大限度地利用时间和丰富的毫米波频率资源来提高容量。尽管如此，由于FD自干扰（SI）和毫米波的有限覆盖范围，它仍然受到限制。因此，本研究在可重构智能表面（RIS）的帮助下深入研究FD毫米波MIMO，以提高容量。首先，我们证明了在远场平面波前假设下，FD天线阵列的角域互易性。因此，提出了一种用于联合下行链路-上行链路（DL-UL）信道估计的策略。为了估计SI信道、直接信道和级联信道，分别提出了基于Khatri-Rao乘积的压缩感知（KR-CS）、分布式压缩感知（D-CS）和基于两阶段多测量向量的D-CS（M-D-CS）框架。此外，我们提出了一种基于角域级联通道的无源波束形成优化方案。针对混合波束形成结构，提出了一种新的混合加权最小均方误差信号干扰消除方法（H-WMMSE-SIC）。仿真已经揭示，与单独的DL/UL信道估计相比，联合DL-UL处理显著地提高了估计性能。特别是，当干扰噪声比小于35 dB时，我们提出的H-WMMSE-SIC提供了与全数字WMMSE-SIC相当的频谱效率性能。最后，分析了所提方法的计算复杂性。
2023-03-25 cs.IT eess.SP math.IT
Fully-/Partially-Connected Hybrid Beamforming Architectures for mmWave MU-MIMO
混合数字模拟（HDA）波束形成由于相对于其完全数字基带对应物的低功耗而在毫米波（mmWave）多用户多输入多输出（MU-MIMO）系统的实际实现中引起了相当大的关注。HDA波束成形的实现成本、性能和功率效率取决于模拟波束成形网络的连接水平和可重构性。在本文中，我们研究了两种典型的架构，可以被视为极端情况下，即，全连接（FC）和一个流每子阵列（OSPS）架构的性能。在FC架构中，每个RF天线端口连接到阵列的所有天线元件，而在OSPS架构中，RF天线端口连接到不相交的子阵列。我们共同考虑初始波束采集和数据通信阶段，使得后者通过使用由前者获得的波束方向信息而发生。我们使用的国家的最先进的波束对准（BA）的作者先前提出的计划，并考虑家庭的MU-MIMO预编码方案，以及适应于从BA阶段提取的波束信息。我们还评估了两种HDA架构的功率效率，同时考虑到在不同的硬件组件的功耗以及典型的功率放大器的约束下的功率回退。数值结果表明，这两种架构实现了类似的总和频谱效率，而OSPS架构是有利的，相对于FC的情况下，在硬件复杂性和功率效率方面，在一个稍微更长的BA时间采集的唯一成本，由于其降低的波束角分辨率。
2019-10-07 cs.IT math.IT
On the feasibility of beamforming in millimeter wave communication systems with multiple antenna arrays
毫米（mm）波频谱用于下一代（5G）移动通信最近已经获得了显著的关注。毫米波频率处的小载波波长使得能够合成紧凑的天线阵列，从而提供补偿增加的传播损耗的波束成形增益。在这项工作中，我们研究了在毫米波系统中采用多个天线阵列来获得分集/复用增益的可行性，其中每个阵列都能够独立地进行波束成形。考虑基于码本的波束成形系统（例如，以便于有限的反馈），我们观察到，即使对于非常合理的系统参数，优化多个阵列上的波束形成方向的\emph{jointly}的复杂性也是非常令人望而却步的。为了克服这一瓶颈，我们开发了复杂度降低的算法，用于优化波束形成方向的选择，在稀疏的多径结构的毫米波信道。具体而言，我们通过将注意力限制在一小组主导候选方向上来降低联合波束成形搜索空间的基数。为了获得主导方向集，我们开发了两种互补的方法：（a）基于一种新的空间功率度量的计算;对该度量的详细分析表明，在大天线阵列的限制下，所选择的候选方向接近信道的主要到达角和离开角，并且（b）精确估计信道的（长期）主要到达角，利用跨不同接收器子阵列接收的信号的相关性。我们的方法使优化搜索空间的大幅减少（减少100倍），同时提供接近最佳性能，从而表明在毫米波系统中实现分集和复用增益的潜在可行性。
2014-10-21 cs.IT math.IT
RIS-Aided Angular-Based Hybrid Beamforming Design in mmWave Massive MIMO Systems
针对毫米波大规模多输入多输出（MIMO）系统，提出了一种可重构智能表面（RIS）辅助和基于角度的混合波束形成（AB-HBF）技术。所提出的RIS-AB-HBF架构由三个阶段组成：（i）RF波束形成器，（ii）基带（BB）预编码器/组合器，以及（iii）RIS相移设计。首先，为了减少RF链的数量和信道估计开销，RF波束形成器基于基于3D几何的毫米波信道模型使用信道的慢时变角度参数来设计。第二，BB预编码器/组合器的设计，利用从BB阶段看到的减小大小的有效信道。然后，通过自然启发的粒子群优化（PSO）算法调整RIS的相移，以最大化系统的可实现速率。说明性的仿真结果表明，在AB-HBF系统中使用的RIS有可能提供更有前途的优势，在系统设计的可靠性和灵活性。
2022-08-13 cs.IT eess.SP math.IT
Beamforming and Scheduling for mmWave Downlink Sparse Virtual Channels With Non-Orthogonal and Orthogonal Multiple Access
我们考虑在毫米波（mmWave）频带中操作并且服务两组用户的5G蜂窝系统的下行链路的调度和功率分配的问题：通常在设备到设备（D2D）通信中看到的固定速率（FR）用户，以及可变速率（VR）用户，或高数据率服务。调度目标是FR和VR用户的加权和速率，约束条件确保活跃FR用户获得所需的速率。目标函数的权重提供了所服务的FR用户的数量与分配给VR用户的资源之间的权衡。对于毫米波信道，通过在发射机和接收机处应用固定离散傅里叶变换（DFT）波束形成器而获得的虚拟信道矩阵是稀疏的。这导致所得到的多址信道的稀疏性，其被利用来简化调度，首先在用户之间建立干扰图，然后根据用户的正交性对用户进行分组。原始调度问题的解决使用图着色算法的干扰图，以选择正交VR用户的子集。对于FR用户考虑两个选项：它们被选择为与VR用户正交或非正交。然后使用注水算法来向FR用户分配功率。
2017-06-27 cs.IT math.IT
A Hardware-Efficient Hybrid Beamforming Solution for mmWave MIMO Systems
在毫米波（mmWave，mmWave）通信系统中，现有的混合波束成形解决方案通常需要大量的高分辨率移相器（PS，phase shifter）来实现模拟波束成形器，其仍然遭受高硬件复杂度和功耗。针对这一问题，本文提出了一种新的硬件高效的混合预编码/合并架构，该架构仅使用有限数量的简单相位过采样器（POS）和一个开关（SW）网络，在保持满意的频谱效率性能的同时实现最大的硬件效率。该POS可以用简单的电路实现，同时输出多个不同相位的并行信号。借助于简单的开关网络，通过将具有适当相位的信号馈送到天线阵列或RF链来实现模拟预编码器/组合器。我们分析了这种基于POS-SW的混合波束形成架构的设计挑战，并提出了潜在的解决方案的基本问题，特别是预编码器/组合器的设计和信道估计策略。仿真结果表明，这种硬件有效的结构可以实现相当的频谱效率，但远高于传统的结构的能量效率。
2018-12-12 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
BEAMWAVE: Cross-Layer Beamforming and Scheduling for Superimposed Transmissions in Industrial IoT mmWave Networks
物联网设备在工业4.0中的无处不在预计将促进更高的可靠性，安全性和效率。然而，互连大量的无线设备而不危及系统性能证明是具有挑战性的。为了满足未来工业的需求，我们研究了毫米波段分层复用（LDM）系统中波束形成和调度的跨层设计。调度是至关重要的，因为工业环境中的设备预计将迅速激增。此外，高性能波束成形是必要的，以确保可扩展性。通过采用LDM，可以非正交地叠加多个传输。具体来说，我们认为一个优越的重要性控制组播消息需要无处不在的所有设备和重要性的私人单播消息的目标是一个子集的预定设备。由于NP困难，我们提出了BEAMWAVE，它将问题分解为波束形成和调度。通过仿真，我们表明，BEAMWAVE达到近最优，优于其他竞争计划。
2021-08-09 cs.IT eess.SP math.IT
Two-Level Spatial Multiplexing using Hybrid Beamforming Antenna Arrays for mmWave Communications
在这项工作中，我们考虑了两个层次的MIMO天线阵列系统，其中每个天线的上层是由一个子阵列上的较低的一个。在这种情况下，空间复用的概念被应用了两次：首先，利用视线（LoS）MIMO系统的空间复用。它基于适当的（子）阵列距离，并由于接收（子）阵列处的信号之间的相位差而实现复用增益。其次，使用不同角度的一个或多个附加反射路径（通过子阵列处的不同空间波束与LoS路径分离）来利用路径之间的空间复用。通过同时利用上述两种复用类型，通过联合使用路径内的“相位差”和路径之间的“角度差”，提出了具有最大空间复用的高维系统。该系统包括一个先进的混合波束形成架构，具有较大的子阵列间隔，这可能发生在毫米波回程场景。系统的可能增益w.r.t.一个纯LOS MIMO系统的总发射功率约束的能力进行了说明。
2016-07-29 cs.IT math.IT
The Ultimate Weapon for Ultra-Broadband 6G: Digital Beamforming and Doubly Massive mmWave MIMO
将毫米波用于无线通信是5G系统相对于前几代蜂窝系统的主要技术创新之一。然而，到目前为止，它们的考虑主要限于使用模拟或至多混合模拟-数字波束成形结构的情况，从而对理论上可以在这些频率处实现的复用能力和峰值数据率造成限制。然而，电子领域的最新进展使得数字波束成形结构的能耗至少与模拟波束成形结构的能耗相当，从而使它们从过去一年中被置于的贫民窟中恢复过来。数字波束成形，加上在通信链路两端使用大型天线阵列，有望成为未来6 G网络的秘密武器之一，能够为超宽带连接释放前所未有的频谱和能源效率价值。
2021-03-03 cs.IT eess.SP math.IT
Reconfigurable Intelligent Surface-Assisted mmWave multi-UAV Wireless Cellular Networks
无人机（UAV）为网络部署带来了很大的灵活性。然而，无人机具有高机动性和不稳定性。为了提高无人机网络的容量和可靠性，可以在系统中使用毫米波（mmWave）和可重构智能表面（RIS）。在本文中，我们考虑了一个RIS-assisted毫米波无人机无线蜂窝网络，无人机服务于多个用户的帮助下，多个RISs。我们联合优化部署，用户调度，波束成形向量，和RIS阶段，以最大化的和速率，与最小速率，无人机的运动，模拟波束成形的约束，和RIS阶段。为了解决这个复杂的问题，我们使用迭代法，当我们优化一个变量时，我们固定其他三个变量。在优化部署时，采用球面搜索法寻找无人机的最优位置。然后，我们制定了一个混合整数非线性问题（MINLP），以找到最佳的调度。空间分支定界（SBNB）方法被用来解决MINLP。在优化波束形成矢量和RIS相位时，我们提出了一种迭代算法，该算法依赖于速率和最大化与加权均方误差和最小化之间的等价性（sum-WMMSE）。针对模拟波束形成和RIS相位的恒模约束，采用多数最小化方法进行处理。所提出的联合优化提供了显着的优势，系统没有波束成形和RIS相位优化和系统没有部署优化。此外，RIS可以补偿由于阻塞而造成的吞吐量损失，特别是在低飞行高度。
2021-08-06 cs.IT math.IT
Wideband Channel Estimation for Hybrid Beamforming Millimeter Wave Communication Systems with Low-Resolution ADCs
潜在的巨大频谱资源使毫米波通信成为一项很有前途的技术。由于用于波束成形以克服大的传播损耗的大量天线和模数转换器（ADC）而导致的高功耗在实践中是有问题的。由于混合波束成形架构和低分辨率ADC被认为可以降低功耗，因此毫米波信道的估计变得具有挑战性。我们评估了几种信道估计算法的宽带毫米波系统的混合波束形成和低分辨率ADC。通过仿真，我们表明：1）在感兴趣的SNR范围内，具有最小二乘估计的无限位ADC的信道估计性能比具有正交匹配追踪（OMP）的1位ADC差，2）当使用OMP时，三位和四位量化器可以实现接近未量化情况的信道估计性能，3）如果利用足够的帧，则具有单个RF链的接收器可以产生比具有四个RF链的接收器更好的估计，以及4）对于一位ADC，利用更高的发射功率和更多的帧来增强性能在某个点之后对估计性能产生不利影响。
2017-10-29 cs.IT math.IT
Spatially Sparse Precoding in Millimeter Wave MIMO Systems
毫米波（mmWave）信号经历的路径损耗比当前在大多数无线应用中使用的微波信号多几个数量级。因此，毫米波系统必须利用通过波长的减小而成为可能的大型天线阵列，以利用波束成形增益来对抗路径损耗。具有多个数据流的波束成形（称为预编码）可用于进一步提高毫米波频谱效率。在传统的多天线系统中，波束成形和预编码都是在基带处数字地完成的。然而，毫米波系统中混合信号器件的高成本和功耗使得RF域中的模拟处理更具吸引力。这种硬件限制限制了可以由实际毫米波收发器应用的预编码器和组合器的可行集合。在本文中，我们考虑发射预编码和接收机合并在毫米波系统与大型天线阵列。我们利用毫米波信道的空间结构，将预编码/合并问题制定为稀疏重构问题。利用基追踪的原理，我们开发了精确近似最佳无约束预编码器和组合器的算法，使它们可以在低成本的RF硬件中实现。我们提出的算法的性能的数值结果表明，它们允许毫米波系统接近其不受约束的性能限制，即使当收发器的硬件限制被认为是。
2013-05-11 cs.IT math.IT
RF Lens-Embedded Antenna Array for mmWave MIMO: Design and Performance
第五代无线通信系统（5G）对高数据速率的需求要求充分利用毫米波频段的宽带。寻求补偿毫米波的高路径损耗并实现增益和方向性的研究人员已经提出毫米波多输入多输出（MIMO）系统利用波束成形系统。毫米波中的混合波束成形通过在模拟处理块中使用移相器在实现高增益和方向性方面展示了有前途的性能。然而，仍然存在的问题是毫米波波束成形系统的实际实现;制造这样的系统是昂贵且复杂的。为了降低这种成本和复杂性，本文提出了透镜天线的实际原型，作为未来5G毫米波混合波束成形系统中使用的有效设备。使用透镜作为无源移相器能够在没有有源移相器的沉重网络的情况下实现波束成形，而增益和方向性通过透镜的能量聚焦特性来实现。本文提出了两种类型的透镜天线，一种用于静态，另一种用于移动使用。通过软件定义无线电（SDR）平台，使用测量和仿真数据以及链路级分析来评估其性能。结果表明，透镜天线的高增益和方向性，其改进的波束切换的可行性相比，当不使用透镜的前景。系统级评估显示，在真实的室内和室外环境中显着的吞吐量增强。此外，通过对不同透镜尺寸的评估，讨论了透镜天线的设计问题。
2018-01-22 cs.IT eess.SP math.IT
Codebook Design for Composite Beamforming in Next-generation mmWave Systems
在追求更高频率的未使用频谱时，毫米波（mmWave）频段具有关键作用。然而，与毫米波通信相关联的高路径损耗和差散射突出了采用有效波束成形技术的必要性。为了有效地搜索波束以服务于用户和联合服务于多个用户，通常需要使用由多个不相交的波瓣组成的复合波束。复合波束覆盖多个期望的角度覆盖间隔（ACI），并且理想地在每个期望的ACI内具有最大和均匀的增益（平滑度），在期望的ACI之外具有可忽略的增益（泄漏），以及尖锐的边缘。我们提出了一种算法，设计这样的理想的复合码本，提供了一个解析的封闭形式的解决方案，具有低计算复杂性。在波束的增益、泄漏和平滑度之间存在基本的权衡。我们的设计允许实现不同的值，在这种权衡的基础上改变设计参数。我们强调了均匀线阵（ULA）在构建任意组合波束的缺点。因此，我们使用一个最近推出的双天线（THEORY）的天线结构，以有效地解决这些低效率。数值结果被用来验证理论研究结果。
2022-02-08 cs.IT eess.SP 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
