Hierarchical Beam Alignment for Millimeter-Wave Communication Systems: A Deep Learning Approach
针对毫米波通信系统的波束对齐需求，提出基于深度学习的分层波束对齐网络HBAN，通过两级探测码本从粗到细搜索最优波束，分两步训练，适配MISO和MIMO系统，在对齐精度和信令开销上优于现有方法。
2023-08-23 cs.IT eess.SP math.IT
Deep Reinforcement Learning based Blind mmWave MIMO Beam Alignment
Indian Institute of Technology Madras（马德拉斯印度理工学院）
定向波束成形是使用毫米波（mmWave）技术实现稳健的无线通信系统的关键组成部分。使用空间的蛮力搜索的波束对准引入时间开销，而位置辅助盲波束对准增加了对系统的附加硬件要求。在本文中，我们介绍了一种盲波束对准方法的基础上，由基站获得的用户设备的RF指纹。所提出的系统使用深度强化学习在具有多个移动用户的多基站蜂窝环境上执行盲波束对准。我们提出了一种新型神经网络架构，可以处理连续和离散动作的混合，并使用策略梯度方法来训练模型。我们的研究结果表明，该方法可以实现高达四倍的数据速率的传统方法，没有任何开销。
2021-02-20 cs.IT cs.LG eess.SP
Can Far-field Beam Training Be Deployed for Cross-field Beam Alignment in Terahertz UM-MIMO Communications?
本文研究太赫兹UM-MIMO跨场波束对准问题，证明远场训练可同时覆盖近远场，并提出子阵列协调分层训练和两阶段角度距离估计器，以极低开销实现高精度波束对准。
2024-01-12 cs.IT eess.SP math.IT
Throughput Optimal Beam Alignment in Millimeter Wave Networks
毫米波通信依赖于窄波束传输来应对这些频率下的强信号衰减，因此要求发射机和接收机之间精确的波束对准。为实现波束对准而引起的通信开销可能成为移动网络中的严重损害。本文讨论的问题，优化光束对准采集，以最大限度地提高吞吐量的目标。具体地，该算法使用马尔可夫决策过程的框架来联合确定专用于波束对准获取的时间部分以及在该时间部分内的最佳束搜索参数。证明了对分搜索算法是最优的，并且优于文献中提出的穷举和迭代搜索算法。光束对准阶段的持续时间被优化，以便最大化总吞吐量。数值结果表明，吞吐量，优化相对于波束对准阶段的持续时间，可实现的穷举算法下是88.3%，低于可实现的平分算法。类似地，对于除法因子为4和8的迭代搜索算法可实现的吞吐量分别比二分算法可实现的吞吐量低12.8%和36.4%。
2017-02-20 cs.IT math.IT
Robust Location-Aided Beam Alignment in Millimeter Wave Massive MIMO
最近，位置辅助波束对准已经被提出作为用于毫米波（mmWave）大规模MIMO（mMIMO）通信中的快速链路建立的潜在方法。然而，由于估计过程中的移动性和其他缺陷，在基站（BS）和用户（UE）处获得的空间信息可能是有噪声的，从而降低波束对准性能。在本文中，我们介绍了一个强大的光束对准框架，以表现出弹性相对于这个问题。我们首先将波束对准重新设计为分散式协调问题，其中BS和UE基于相关但单独的位置信息来寻求协调。我们制定的最佳波束对准解决方案的贝叶斯团队决策问题的解决方案。然后，我们提出了一套算法，以降低复杂性接近最优。与经典设计相比，鲁棒波束对准过程的有效性，然后在具有不同位置信息精度的仿真设置上进行验证。
2017-08-28 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
Energy-Efficient Interactive Beam-Alignment for Millimeter-Wave Networks
毫米波由于其丰富的带宽资源，将成为下一代无线网络的关键技术。然而，使用具有波束成形的大型天线阵列需要发射器和接收器之间的精确波束对准，并且在移动环境中可能需要巨大的开销。本文研究了一种最优的交互式波束对准和数据通信协议的设计，其目标是在最小速率约束下最小化功耗。基站基于来自用户端的反馈选择波束对准或数据通信以及波束参数。基于扇形天线模型和均匀的出发角和到达角（AoD/AoA）的先验，一个固定长度的波束对准阶段，随后的数据通信阶段的最优性进行了论证。此外，一个解耦的分数波束对准方法被证明是最佳的，随着时间的推移，AoD和AoA的对准，并迭代扫描一小部分的不确定性区域。提出了一种启发式策略，非均匀先验的AoD/AoA，可证明的性能保证，它表明，均匀的先验是最坏的情况下。由于检测错误的性能下降进行了研究分析，并通过仿真。模拟波束的数值结果分别描述了最先进的二分法、传统和交互式穷举搜索策略的4dB、7.5dB和14 dB增益，并表明扇区模型为波束对准设计提供了有价值的见解。
2018-12-07 cs.IT math.IT
Inertial Sensor Aided mmWave Beam Tracking to Support Cooperative Autonomous Driving
提出了一种基于毫米波（mmWave）的大规模多输入多输出（MIMO）车对车（V2V）通信中的惯性传感器辅助波束对准和跟踪技术。由于车辆场景中的定向通信受到波束指向问题的严重阻碍，因此必须定期执行波束对准过程以保证通信可靠性。当处理大规模多输入多输出链路时，已知波束扫描方法是耗时的，并且由于延迟约束而通常是不可行的。为了加快这个过程中，我们提出了一种方法，利用先验信息提供的阵列动态的惯性传感器上的收发器，以协助波束对准过程。所提出的惯性传感器辅助技术允许在发射时连续跟踪波束，避免频繁的重新对准阶段。基于收发器上加速度计的实际测量的数值结果表明，相对于传统的波束对准协议，V2V通信吞吐量方面有显着的增益。
2019-03-28 cs.IT eess.SP math.IT
Second-best Beam-Alignment via Bayesian Multi-Armed Bandits
毫米波（mm波）系统依赖于窄波束来应对mm波频段中严重的信号衰减。然而，由于移动性或阻塞而对波束未对准的敏感性要求使用波束对准方案，在开销和系统资源的使用方面具有巨大的成本。本文提出了一种基于贝叶斯多臂强盗的波束对准方案，目标是最大化对准概率和数据通信吞吐量。提出了一种贝叶斯方法，通过考虑状态作为后验分布的角度的到达（AoA）和出发（AoD），给定的历史反馈信令和波束对扫描的基站（BS）和用户端（UE）。以BS-UE波束对的偏好的形式导出用于最优控制的简化的充分统计。通过约束一个价值函数，推导出次优偏好策略，该策略通过选择具有当前次优偏好的波束对来达到探测和利用之间的最优平衡.通过模拟波束形成的Monte-Carlo仿真，第二最佳偏好政策的优越性能被证明在现有的计划相比，基于第一最佳偏好，线性汤普森采样，和置信上限，与高达7%，10%和30%的提高对齐概率，分别。
2019-08-21 cs.IT math.IT
Active Sensing for Two-Sided Beam Alignment and Reflection Design Using Ping-Pong Pilots
本文针对毫米波通信中的双端波束对齐问题，提出基于乒乓导频和两个LSTM网络的深度主动感知框架，无需显式反馈即可设计测量向量和波束成形器，并可扩展至RIS反射设计，实验显示性能显著提升。
2023-05-11 cs.IT eess.SP math.IT
Site-Specific Beam Alignment in 6G via Deep Learning
本文提出面向6G的特定站点波束对准（SSBA）方法，利用深度学习基于小区独特传播环境和UE位置模式实现自动化定制调优，消除冗余搜索，使UE被更快更可靠地发现，并指出了关键开放挑战。
2024-03-24 cs.IT eess.SP math.IT
Position Aided Beam Alignment for Millimeter Wave Backhaul Systems with Large Phased Arrays
无线回程通信最近已经利用在毫米波（mmWave）频带中操作并实现高度定向波束成形的大天线来实现。在本文中，我们专注于毫米波回程系统中的固定位置的网络节点之间的窄波束的对齐问题，受到由于风流或地面振动的小位移。我们认为节点配备有天线阵列，能够执行模拟处理和通信，通过无线信道，包括视线组件。为了最大限度地减少所需的时间来实现波束对准，我们提出了一种有效的方法，利用节点之间的位置信息的交换来设计他们的波束形成和合并向量。与建议的波束对准方法的中断概率的一些数值结果提供了一些系统和操作参数的影响有用的初步见解。
2017-10-12 cs.IT math.IT
Deep Learning-based Compressive Beam Alignment in mmWave Vehicular Systems
Apple Inc.（苹果公司）；Samsung Semiconductor Inc.（三星半导体公司）；North Carolina State University（北卡罗来纳州立大学）；UT Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）
针对毫米波车载系统波束对齐测量开销大的问题，提出利用信道稀疏性与空间结构的深度学习压缩感知矩阵设计方法，并在低分辨率移相器约束下优化采集、波束对齐及子载波功率。
2021-02-27 cs.AI cs.IT eess.SP
Inverse Multipath Fingerprinting for Millimeter Wave V2I Beam Alignment
有效的波束对准是具有模拟波束形成的毫米波系统中的关键组成部分，特别是在快速变化的车辆环境中。本文提出了一种位置辅助方法，其中车辆的位置（例如，可通过GPS获得）用于查询多径指纹数据库，该数据库提供了用于可靠波束对准的潜在指向方向的先验知识。该方法是指纹定位的逆，其中将测量的多径签名与指纹数据库进行比较以检索最可能的位置。引入功率损失概率作为量化未对准精度的度量，并用于优化候选波束选择。两个候选波束选择方法的开发，其中一个是启发式的，而另一个最大限度地减少错位概率。建议的光束对准评估使用从商业射线跟踪模拟器产生的逼真的通道。使用所生成的信道，提供了广泛的调查，其中包括所需的测量样本大小，以建立一个有效的指纹，测量噪声的影响，流量密度的变化的灵敏度，和波束对准开销与IEEE 802.11ad作为基线的比较。使用波束相干时间的概念，这是两个连续的波束对准之间的持续时间，和IEEE 802.11ad的参数，在移动性上下文中的开销进行比较。结果表明，虽然所提出的方法提供了更大的天线阵列的增加速率，IEEE 802.11ad由于较大的波束训练开销而具有降低的速率，所述波束训练开销消耗了大部分波束相干时间，所述波束相干时间随着移动性的增加而变短。
2017-09-17 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
Multi-UE Multi-AP Beam Alignment in User-Centric Cell-Free Massive MIMO Systems Operating at mmWave
本文考虑了无小区大规模MIMO部署中多个接入点（AP）和多个用户设备（UE）同时工作在同一毫米波频段的波束对准问题。假设控制信道在低于6GHz频率处的可用性，开发了一种协议，该协议允许为每个UE估计来自周围AP中的每个AP的最强传播路径，并且在UE和AP之间执行以用户为中心的关联。在一个阶段过程中，在UE处实现对来自附近AP的最强路径的估计，在该过程期间，所有AP利用伪随机发射波束成形器在伪随机选择的信道上同时发射。提出了一种AP间正交信道分配算法，其目标是最小化在相同信道上传输的AP之间的相互干扰。所提出的策略的性能进行评估的概率正确检测的方向的到达和离开相关联的最强的波束从附近的AP，并在下行链路和上行链路的信号与干扰加噪声比。仿真结果表明，该方法是有效的，能够在多UE多AP的无线场景中有效地实现波束对准。
2022-04-25 cs.IT eess.SP math.IT
Swift-Link: A compressive beam alignment algorithm for practical mmWave radios
下一代无线网络将利用毫米波（mmWave）频率下的大量可用频谱。然而，毫米波系统的设计是具有挑战性的，由于严格的功率，成本和硬件约束在较高的带宽。为了实现良好的通信SNR，毫米波系统使用大型天线阵列。使用高定向波束的波束成形是使用天线的一种方式。随着信道随时间变化，必须快速估计使SNR最大化的波束以减少训练开销。先前的工作已经利用了毫米波信道稀疏的观察结果，以利用很少的信道测量来执行基于压缩感知（CS）的波束对准。然而，大多数现有的基于CS的算法，假设完美的同步和失败的载波频率偏移（CFO）的存在下。本文提出了Swift-Link，一种快速的波束对准算法，对偏移是鲁棒的。Swift-Link包括一种新颖的随机化波束训练序列，该序列可最大限度地减少由于CFO引起的波束对准误差，以及一种纠正这些误差的低复杂度算法。即使有严格的硬件限制，我们的算法使用更少的信道测量比可比CS算法，并具有分析保证。与波束扫描技术相比，Swift-Link要求模数转换器的输出动态范围较小。
2018-12-04 cs.IT math.IT
On Optimal Multi-user Beam Alignment in Millimeter Wave Wireless Systems
定向传输模式（也称为窄波束）是毫米波（mmWave）频带中的无线通信的关键，毫米波频带遭受高路径损耗和严重遮蔽。此外，毫米波频率中的传播信道仅包含少量空间集群，需要将对应的窄波束与信道集群的离开角（AoD）对准的过程。这个过程的目的，称为波束对准（BA）是为了增加后续数据通信的波束形成增益。几个现有的研究考虑优化BA过程，以实现各种目标，如减少BA开销，增加吞吐量，并降低功耗。虽然这些研究大多为单个活跃用户的场景提供了优化的BA方案，但在实际网络中通常存在多个活跃用户。因此，在BA开销和延迟方面，设计可以共同执行多个用户的波束管理的多用户BA方案是更有效的。本文考虑了一类多用户BA方案，其中基站执行角域的一次性扫描以同时定位多个用户。目标是在收到用户反馈后，最小化AoD上剩余不确定性区域（UR）的平均期望宽度。最佳性能的基本界限进行了分析，使用信息理论工具。此外，制定了波束设计优化问题，并提出了一种实用的BA方案，与5G标准中使用的波束扫描相比，该方案提供了显着的增益。
2020-05-28 cs.IT eess.SP 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
Explore and Eliminate: Optimized Two-Stage Search for Millimeter-Wave Beam Alignment
发射器（Tx）和接收器（Rx）波束的快速和准确对准是实现可靠的室外毫米波通信的基本设计挑战。在本文中，我们提出了一种新的优化两阶段搜索（OTSS）算法的Tx-Rx波束对准通过空间扫描。与一次性穷举搜索相比，OTSS明智地将训练能量预算分为两个阶段。在第一阶段中，OTSS探索并训练所有候选波束对，然后消除从接收到的信号轮廓中学习到的一组不太有利的对。在第二阶段，OTSS对每个幸存的对进行额外的测量，并与先前的测量相结合以确定最佳的一个。对于OTSS，我们推导出一个上界的失准概率，在一个单路径信道模型与训练码本具有理想的波束图案。我们还描述了衰减率函数的上限相对于训练预算，并进一步推导出最大化衰减率的OTSS的最佳设计参数。OTSS被证明渐近优于国家的最先进的波束对准算法，并在数值上显示，以实现更好的性能与有限的训练预算和实际合成的波束。
2019-06-19 cs.IT math.IT
On the Beamforming Design for Efficient Interference Alignment
针对$K$ -用户单输入单输出频率选择性衰落干扰信道，提出了一种有效的干扰对齐方案。其主要思想是引导发射波束成形矩阵，使得在每个接收器处，由无干扰的期望流占据的子空间维度与由所有干扰占据的子空间维度渐近相同。我们提出的方案实现了更高的复用增益在任何给定数量的信道实现相比，原来的IA计划，这是已知的实现最佳复用增益渐近。
2009-06-21 cs.IT math.IT
Continuous Beam Alignment for Mobile MIMO
针对移动MIMO中窄波束对齐开销大且易漂移的问题，提出基于波束角度速率变化预测的连续波束调整方法，无需额外导频开销，显著提升跟踪性能并降低60%-87%导频开销。
2023-11-14 cs.IT cs.NI eess.SP
The Impact of Beamwidth on Temporal Channel Variation in Vehicular Channels and its Implications
毫米波（mmWave）由于其大的频谱通道，在实现高数据率方面具有巨大的潜力。它被认为是第五代无线网络的关键技术，并且已经用于无线LAN（例如，IEEE 802.11ad）。然而，使用毫米波进行车辆通信通常被视为带有一些怀疑，这是由于误解多普勒扩展在这些高频下会变得太大。当定向波束用于通信时，这不是真的。本文推导了通道相干时间与束宽之间的关系式。与先前的工作，假设完美的波束指向，由于接收机运动的指向误差被纳入到显示，存在一个非零的最佳波束宽度，最大化的相干时间。为了研究迁移率对毫米波系统中光束对准的影响，定义了光束相干时间的新概念。光束的相干时间，这是一个有效的措施，光束对准频率，被证明是远远大于传统的通道相干时间，从而导致在减少光束对准开销。使用导出的相关函数，信道相干时间，和波束相干时间，考虑到信道的时间变化和波束对准开销的整体性能度量导出。使用该度量，它示出了在每个波束相干时间中的波束对准比在每个信道相干时间中的波束对准执行得更好，由于后者的情况下的大开销。
2015-11-09 cs.IT math.IT
Efficient Beam Alignment in Millimeter Wave Systems Using Contextual Bandits
本文研究了毫米波系统中的波束对准问题，并设计了一种优化算法来降低系统开销。具体地，由于定向通信，发射器和接收器波束需要对准，这导致高延迟开销，因为在没有发射器/接收器位置的先验知识的情况下，搜索空间跨越整个角域。这在动态条件下进一步加剧（例如，移动的车辆），其中对基站（接入点）的接入是高度动态的，具有间歇的开-关周期，需要更频繁的波束对准和信号训练。为了缓解这个问题，我们考虑在线随机优化公式，其中目标是最大化方向性增益（即，接收的能量）。我们利用固有的相关性和单峰特性的模型，并证明上下文信息提高了性能。为此，我们提出了一个等效的结构化多臂强盗模型，以最佳地利用勘探开发权衡。与经典的MAB模型相比，上下文信息使得后悔的下限（即，与Oracle策略相比的性能损失）与波束的数量无关。这是一个至关重要的属性，因为在收发器天线阵列中，特别是在大规模MIMO系统中，波束图案的所有组合的数量可能很大。我们进一步提出了一种渐近最优的波束对准算法，并通过仿真研究了其性能。
2017-12-22 cs.IT math.IT
Performance Analysis of Millimeter Wave Wireless Power Transfer With Imperfect Beam Alignment
研究了波束对准不良对毫米波无线功率传输的影响。我们考虑毫米波WPT网络，其中能量发射器的位置遵循泊松点过程。我们采用第三代合作伙伴计划（3GPP）建议的高斯天线模型，而不是最常用的平顶天线模型，以获得更好的精度。两个波束对准误差（BAE）模型，即，截断高斯和均匀模型，介绍了代表不同的BAE源。我们推导出的概率密度函数（PDF）的级联天线增益与两个BAE模型，然后提供近似的PDF处理。借助Fox的H函数，推导出了非线性能量收集模型下能量覆盖概率的解析表达式。此外，我们推导出一个封闭形式的平均收获射频（RF）能量的表达式。仿真结果验证了我们的理论结果，并证明了BAE的性能下降。它还表明，在BAE的存在下，平顶天线模型并不能总是提供准确的性能评估。
2021-02-21 cs.IT eess.SP math.IT
Closed-Loop Beam Alignment for Massive MIMO Channel Estimation
训练序列被设计用于探测无线信道，以获得块衰落信道的信道状态信息。最优训练使用正交波束形成向量来探测信道，以找到优化某些成本函数（例如均方误差）的估计。然而，随着发射天线的数量增加，训练开销变得显著。这产生了对用于越来越大的发射阵列的替代信道估计方案的需要。在这项工作中，我们放宽了正交的限制，对探测矢量。在训练期间在每个前向信道使用之后使用反馈信道使得能够进行闭环探测矢量设计。引入未对准成本函数，其提供了一个度量来顺序地设计探测向量。进而，探测矢量的结构将发射波束成形器与真实信道方向对准，从而增加波束成形增益。与MISO信道的传统正交训练相比，这种用于大规模MIMO的波束对准方案可以提高波束成形增益。
2014-04-02 cs.IT math.IT
Multi-modal Data Driven Virtual Base Station Construction for Massive MIMO Beam Alignment
The Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Southeast University（东南大学）
本文提出利用多模态数据构建虚拟基站以优化大规模MIMO波束对准，通过几何镜像和稀疏表示提升频谱效率。
2026-02-26 cs.IT math.IT
Hybrid Beam Alignment for Multi-Path Channels: A Group Testing Viewpoint
由于路径损耗和阴影，毫米波和太赫兹等高频波段需要窄波束。波束对准（BA）方法允许收发器通过利用高频处的信道稀疏性来有效地调整这些波束的方向。本文研究了上行链路的情况下，其中用户设备（UE）和基站（BS）之间的信道由多个路径的BA。BS希望使用最少数量的时隙以给定的分辨率定位这些路径中的每一个的到达角。在BA的每个时隙，UE发送BA分组，并且BS使用混合波束成形来扫描其角度区域。为了尽量减少预期的BA持续时间，一组测试框架的设计，并描述了相关的新的模拟和混合BA策略。仿真研究表明，在无噪声和真实的5G毫米波BA设置中，性能都有所提高。
2022-05-13 cs.IT math.IT
Beam Alignment Using Trajectory Information in Mobile Millimeter-wave Networks
针对移动毫米波网络中的波束搜索开销问题，提出利用轨迹划分区域并维护候选波束集，通过优化区域数量平衡信噪比与信令开销，实现高信噪比且对位置误差鲁棒。
2023-05-09 cs.IT eess.SP math.IT
Beam Alignment in mmWave User-Centric Cell-Free Massive MIMO Systems
本文研究了毫米波（mmWaves）载波频率下无小区大规模多输入多输出（CF-mMIMO）系统中的波束对准（BA）问题。提出了两种估计算法，其与允许在共享频率集合上针对每个用户设备（UE）同时估计与来自周围接入点（AP）中的每一个的最强传播路径相关联的无线电波的到达和离开方向的协议相关联，使得可以发生UE-AP关联。所提出的过程依赖于在6 GHz以下频率处存在可靠的控制信道，以便使得能够在UE和网络之间交换估计值，并且假设可以基于正交信道和发送波束成形码本的先验知识来识别AP。还提出了一种用于将码本条目分配给几个AP的策略，其目的是最小化被分配相同条目的AP之间的相互干扰。数值结果表明，所提出的检测策略的有效性，从而使一次性快速BA CF-mMIMO系统。
2021-06-25 cs.IT eess.SP math.IT
Time-Sequence Channel Inference for Beam Alignment in Vehicular Networks
Intel Collaborative Research Institute for Mobile Networking and Computing（英特尔移动网络与计算联合研究院）
在本文中，我们提出了一种基于学习的低开销波束对准方法，用于车辆网络中的车辆到基础设施通信。主要思想是基于源基站在先前时隙中的CSI来远程推断目标基站在未来时隙中的最佳波束方向。所提出的方案可以减少信道捕获和波束训练的开销，取代导频辅助波束训练与在线推理从序列到序列的神经网络。基于光线跟踪信道数据的仿真结果表明，该算法在定位误差为$1$ m的情况下，比基于位置的波束形成算法有$8.86\%$的改进，且与基于Genie辅助的最优波束形成算法相比，性能损失在$4.93\%$以内.
2018-12-04 cs.IT cs.LG math.IT
Intelligent Reflecting Surface for Multi-Path Beam Routing with Active/Passive Beam Splitting and Combining
智能反射面（IRS）可以密集地部署在无线网络中，以显著增强通信信道。在这封信中，我们考虑从一个多天线基站（BS）到一个单天线用户的下行链路传输，利用合作的无源波束形成（CPB）和视线（LoS）的多IRS信号反射的路径分集增益。不同于现有的作品，只有一个单一的多IRS反射路径从BS到用户被选中，我们提出了一个新的和更一般的多径波束路由方案。具体地，BS经由指向不同IRS的多个正交有源波束（称为有源波束分裂）发送用户的信息信号。然后，这些波束信号随后由所选择的IRS经由其CPB在不同路径中反射，并且最终在用户的接收机（因此命名为{ \it \textbf{passive beam combining} }）处相干地组合。对于这个方案，我们制定了一个新的多径波束路由设计问题，以联合优化IRS反射路径的数量，为每个反射路径选择的IRS，在BS/每个选定的IRS的有源/无源波束形成，以及BS的功率分配在不同的有源波束，以最大限度地提高在用户的接收信号功率。为了解决这个具有挑战性的问题，我们首先推导出最佳的BS/IRS波束成形和BS功率分配为一组给定的反射路径。基于图论的方法，然后有效地解决剩余的多路径选择问题。仿真结果表明，我们提出的多径波束路由方案显着优于其传统的单径波束路由特殊情况。
2022-02-15 cs.IT eess.SP math.IT
Fast Beam Alignment for Millimeter Wave Communications: A Sparse Encoding and Phaseless Decoding Approach
在本文中，我们研究了毫米波（mmWave）通信的波束对准问题，其中我们假设在发射端（即基站）采用混合模拟和数字波束形成结构，并且在接收端（即用户）使用全向天线或天线阵列。通过利用毫米波信道的稀疏散射特性，波束对准问题被公式化为稀疏编码和无相解码问题。更具体地说，感兴趣的问题涉及找到一个稀疏的传感矩阵和一个有效的恢复算法，以恢复的支持和幅度的稀疏信号从压缩无相测量。提出了一种稀疏二分图编码（SBG-Coding）算法，用于稀疏编码和无相解码。我们的理论分析表明，在无噪声的情况下，我们提出的算法可以完美地恢复支持和幅度的稀疏信号的概率超过一个预先指定的值从$\mathcal{O}(K^2)$测量，其中$K$是非零条目的稀疏信号的数量。该算法具有简单的解码过程，计算效率高，抗噪声能力强。仿真结果表明，我们提出的方法呈现出可靠的波束对准在低和中等信噪比（SNR）制度，并提出了一个明显的性能优势，比现有的方法。
2018-11-09 cs.IT math.IT
Adaptive Beam Alignment using Noisy Twenty Questions Estimation with Trained Questioner
Beihang University（北京航空航天大学）
本文提出基于噪声二十问题估计框架的自适应波束对齐算法，通过训练提问者解决可行性与可解释性问题，提升6G通信系统性能。
2026-01-26 cs.IT math.IT
Intelligent Angle Map-based Beam Alignment for RIS-aided mmWave Communication Networks
Chongqing University of Posts and Telecommunications（重庆邮电大学）；Guizhou University of Finance and Economics（贵州财经大学）；Imperial College London（伦敦帝国学院）
本文提出基于智能角度图的波束对齐方法，利用Transformer模型实现高效波束对齐，无需扫描即可实现高精度通信性能。
2024-10-31 cs.IT cs.SY eess.SY
Interference Alignment Schemes Using Latin Square for Kx3 MIMO X Channel
本文研究了X通道有限时间扩展的干扰对齐方案和低计算复杂性的波束形成器选择方法。针对K × 3多输入多输出（MIMO）X信道，提出了一种基于拉丁方的链式IA方案。由于所提出的方案可以有一个更大的可能的波束形成器比传统的计划，它的性能提高了一个给定的信道的有效波束形成器的选择。此外，我们提出了一种基于条件数（CN）的波束形成器选择方法，具有低的计算复杂性，其性能改善的数值验证。
2018-10-12 cs.IT math.IT
Quantum Game Theory for Beam Alignment in Millimeter Wave Device-to-Device Communications
研究了毫米波频段可穿戴设备到设备（D2D）通信中的波束优化对准问题。特别地，在参与D2D通信的可穿戴通信对之间制定非合作博弈。在这个游戏中，充当发射器的可穿戴设备自主地选择其波束的方向，以便最大化到其接收器的数据率。为了解决这个问题，提出了一种基于最佳响应动态的算法，该算法允许发射机以分布式方式达到纳什均衡。为了进一步提高mmW D2D通信的性能，制定了一种新的量子博弈模型，以使可穿戴设备能够在其波束对准期间利用新的量子方向，从而进一步提高其数据率。仿真结果表明，所提出的博弈论的方法提高了性能，在数据率，约75%的均匀波束对准相比。结果还表明，量子博弈模型可以进一步产生高达20%的改善数据率，相对于经典的游戏方法。
2016-10-06 cs.GT cs.IT math.IT
Integrated Sensing and Communication with Delay Alignment Modulation: Performance Analysis and Beamforming Optimization
延迟对准调制（DAM）最近已经被提出来实现可操纵的信道延迟扩展以用于高效的单载波或多载波通信。特别地，利用完美的延迟对准，即使利用单载波（SC）传输也可以消除符号间干扰（ISI），而不依赖于复杂的信道均衡。DAM的核心思想是延迟预补偿和基于路径的波束形成，使得所有多径信号分量可以同时到达接收机并且相长地叠加，而不是引起有害的ISI。与经典的正交频分复用（OFDM）传输相比，DAM使能的SC通信具有几个吸引人的优点，包括低峰均功率比（PAPR）和对多普勒频移的高容忍度，这使得DAM也吸引雷达感测。因此，在本文中，DAM的通感一体化（ISAC）系统进行了研究。首先研究了无ISI SC通信和雷达感知的输出信噪比（SNR），然后推导了基于DAM感知的模糊函数（AF）和综合旁瓣比（ISR）的闭合表达式。此外，我们研究了基于DAM的ISAC的波束形成设计问题，以最大化通信SNR，同时保证感知SNR和ISR方面的感知性能。最后，我们提供了性能比较DAM和OFDM ISAC，它表明，DAM信号可以实现更好的通信和感知性能，由于其低PAPR，减少保护间隔开销，以及更高的容忍多普勒频移。仿真结果显示了DAM在ISAC中的巨大潜力。
2022-07-08 cs.IT eess.SP math.IT
On Beamformer Design for Multiuser MIMO Interference Channels
针对多用户时不变多输入多输出干扰信道，研究了几种线性波束形成器的设计方法。值得注意的是，考虑了干扰对齐和基于和速率的算法，例如最大信号干扰加噪声（max-SINR）算法。干扰对齐下的最优线性波束形成由两层组成：内部预编码器和解码器（或接收滤波器）完成干扰对齐以消除用户间干扰，外部预编码器和解码器对角化内部预编码器和解码器干扰对齐产生的有效单用户信道。在高信噪比下，建立了这种两层波束形成与最大信干噪比算法之间的关系。此外，最大信干噪比算法的线性波束形成算法的类内的最优性，其局部收敛指数率，建立在高信噪比。
2010-11-29 cs.IT math.IT
Two High-Performance Amplitude Beamforming Schemes for Secure Precise Communication and Jamming with Phase Alignment
为了严重削弱窃听者截获机密信息的能力，利用安全精确无线传输的概念，提出了一种精确干扰的思想。其基本思想是通过随机子载波选择（RSS）、定向调制、相位对准（PA）和幅度波束形成（AB），将人工噪声（AN）的发射能量集中到窃听者（Eve）的邻域。这样做，夏娃将严重干扰AN。在这里，传统的相位和幅度的联合优化转换为两个独立的相位和幅度优化问题。考虑到PJ和SPWT都需要功率放大，联合优化问题归结为幅度优化问题。然后，提出了两种有效的AB方案：泄漏和最大化接收功率（Max-RP）。仿真结果表明，在中高信噪比区域，Max-RP和泄漏AB方法在误码率和保密率方面均优于传统方法，并以现有的等效AB（EAB）作为性能参考。这两个建议的泄漏和最大RP幅度波束形成器之间的性能差异是微不足道的。此外，我们还发现，所有三个AB方案EA，Max-RP和泄漏可以形成两个主峰的AN和CM周围的Eve和所需的接收器（鲍勃），分别。这就是我们所说的PJ和SPWT。
2020-05-05 cs.IT eess.SP math.IT
Optimal Single-User Interactive Beam Alignment with Feedback Delay
由于方向性、高路径损耗和阴影，毫米波（mmWave）频带中的通信依赖于窄波束。可以使用波束对准（BA）技术来找到并调整这些窄波束的方向。在本文中，BA在基站（BS）被认为是，其中BS发送一组BA分组扫描不同的角度区域，而用户监听信道，并发送反馈给BS的每个接收到的分组。假设分别在用户和BS处接收的分组和反馈可以被正确解码。受诸如传播延迟的实际约束的激励，考虑每个BA分组的反馈延迟。在BA结束时，BS向用户分配窄波束，包括其用于数据传输的出发角度，并且目标是最大化所得到的预期波束成形增益。提出了一个研究该问题的一般框架，并在此基础上得到了最优性能的下界和最优性实现方案。仿真结果表明，在反馈延迟的存在下，最先进的BA方法的性能显着改善。
2022-01-15 cs.IT math.IT
Leveraging Location Information for RIS-aided mmWave MIMO Communications
由外部定位系统提供的位置信息，例如，卫星导航可以在可重构智能表面（RIS）辅助毫米波（mmWave）多输入多输出网络的波束对准和信道参数估计过程中用作先验信息。受益于这样的先验信息的可用性，尽管不完美，但是波束对准和信道参数估计过程可以在所有终端处探索较少候选波束的情况下显著加速。我们提出了一种实用的信道参数估计方法，通过原子范数最小化，它优于标准的波束对准方面的均方误差和有效频谱效率相同的训练开销。
2021-03-29 cs.IT eess.SP math.IT
Millimeter Wave Beam Alignment: Large Deviations Analysis and Design Insights
在毫米波蜂窝通信中，通过波束训练进行快速可靠的波束对准对于获得足够的波束成形增益以用于后续数据传输至关重要。在本文中，我们建立了基本限制下的穷举搜索和分层搜索，采用多分辨率波束形成码本，占时域训练开销的波束对准性能。具体而言，我们推导出上下限和上界的不对准的概率为任意级别的分层搜索，基于单路径信道模型。使用大偏差的方法，我们表征的衰减率函数的两个界限，并表明，边界一致的训练序列的长度变大。我们继续描述分层搜索和穷举搜索的渐近失准概率，并表明在相同的训练开销和码本分辨率下，后者的性能渐近优于前者。我们通过数值结果表明，这种相对性能的行为在非渐近制度。此外，穷举搜索示出实现显着更高的最坏情况下的频谱效率比分层搜索，当预波束成形的信噪比（SNR）是相对较低的。因此，这项研究意味着，详尽的搜索是更有效的用户位于远离基站，因为他们往往具有低信噪比。
2017-05-19 cs.IT math.IT
Location-aware Predictive Beamforming for UAV Communications: A Deep Learning Approach
无人机具有高度的机动性和灵活性，能够适应不同应用的异构需求，因此无人机辅助通信成为实现超第五代（5G）无线网络的一种很有前途的技术。然而，无人机的移动对无人机和地面用户设备（UE）之间的精确波束对准提出了挑战。在这封信中，我们提出了一种基于深度学习的位置感知预测波束形成方案，用于在动态场景中跟踪无人机通信的波束。具体而言，设计了一种基于长短期记忆（LSTM）的递归神经网络（LRNet）用于无人机位置预测。基于预测的位置，可以确定UAV与UE之间的预测角度，以用于下一时隙中的有效且快速的波束对准，这使得能够实现UAV与UE之间的可靠通信。仿真结果表明，该方案能够获得满意的通信速率，接近于完美精灵辅助对准方案的通信速率上界。
2020-09-16 cs.IT eess.SP math.IT
Reliability-Constrained Blind Beam Alignment for Backscatter-MIMO mounted Target in Cluttered Multipath Channels
School of Electronic Information and Communications, Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学电子信息与通信学院）
针对实际ISAC中静态杂波和NLoS多径导致目标回波模糊和波束对准虚假峰值的问题，提出一种下行触发盲双端对准协议，利用背向散射-MIMO的反射调制和逆向被动波束成形实现波形域分离和角度锁定，并推导了相干平均端到端成功概率的闭式表达式，揭示了波束宽度与对准可靠性的非单调关系。
2026-05-26 cs.IT math.IT
On Single-User Interactive Beam Alignment in Millimeter Wave Systems: Impact of Feedback Delay
窄波束是毫米波频段无线通信的关键。波束对准（BA）允许基站（BS）调整用于通信的波束的方向和宽度。在BA期间，BS发送覆盖不同角度区域的多个扫描波束。我们的目标是最小化的不确定性区域（UR），其中包括用户的出发角度的预期宽度。传统上，在交互式BA中，假设在发送下一个扫描分组之前接收到与每个扫描分组相对应的反馈。然而，在实践中，由于传播或系统约束，反馈延迟可能更大。本文研究了任意固定反馈时滞下的BA策略。这个问题是通过一个信源编码的前景，其中的反馈序列被视为源码字进行分析。它示出，这些码字形成一个具有特定的特性，这是用来定义一类新的代码称为d-单峰码的码本。通过分析这些代码的属性，最小可实现的期望波束宽度的下限提供。结果显示，潜在的性能改善方面的BA持续时间，它需要实现一个固定的预期宽度的UR在国家的最先进的BA方法，不考虑延迟的影响。
2021-02-04 cs.IT math.IT
Fast Beam Alignment via Pure Exploration in Multi-armed Bandits
Zhejiang University（浙江大学）；University of Alberta（阿尔伯塔大学）；National University of Singapore（新加坡国立大学）
波束对准（BA）问题在于精确地对准发射器和接收器波束以在无线通信系统中建立可靠的通信链路。现有的BA方法搜索整个波束空间以识别最佳发射-接收波束对。当天线的数量很大时，这会引起显著的延迟。在这项工作中，我们开发了一种基于带宽的快速BA算法，以减少毫米波（mmWave）通信的BA延迟。我们的算法被命名为两阶段异方差跟踪和停止（2PHT\&S）。我们首先制定的BA问题作为一个纯粹的探索问题，在多武装土匪的目标是尽量减少所需的时间步长给定一定的固定的置信水平。该算法利用波束之间的相关性结构（即来自相邻波束的信息是相似的）和臂（波束）的回报方差与其均值相关的异方差特性，将所有波束分组为若干波束集合，首先选择最优波束集合，然后在该集合中识别最优波束。理论分析和仿真实验结果表明，该算法具有明显的优越性。
2022-10-23 cs.IT cs.LG math.IT
ISAC-Enabled Beam Alignment for Terahertz Networks: Scheme Design and Coverage Analysis
针对太赫兹网络窄波束导致的波束失准问题，提出基于5G的JSRS方案辅助波束对准，推导覆盖概率并优化时频分配，相比5G定位能力减少约80%失准并提升约75%覆盖概率。
2024-08-22 cs.IT math.IT
Noisy Beam Alignment Techniques for Reciprocal MIMO Channels
未来的多输入多输出（MIMO）无线通信系统将使用波束成形作为实现数据需求的指数增长所必需的容量要求的第一步。这项工作的重点是对时分双工（TDD）系统的波束对准，为此，我们提出了一些新的算法。这些算法寻求获得最佳波束形成器/组合器对（其是信道矩阵的主导奇异向量）的良好估计。它们的动机是由幂方法，一种通过重复矩阵乘法确定特征值和特征向量的迭代算法。与只考虑最近的迭代并假设无噪声链路的基本功率方法相比，所提出的技术考虑来自算法的所有先前迭代的信息，并以不同的方式将它们组合。第一种技术（顺序最小二乘法）顺序地构造信道矩阵的最小二乘估计，然后将其用于计算波束形成器/组合器对估计。第二种技术（求和功率方法）旨在通过使用先前尝试的波束的线性组合来计算下一个波束来减轻噪声的影响，从而以最小的复杂性/反馈开销在低SNR状态（典型的毫米波系统）中提供改进的性能。第三种技术（最小二乘初始化和功率方法）通过用来自顺序方法的初始估计来启动和功率方法，将第一种技术在高SNR状态下的良好性能与第二种技术的低复杂度优势相结合。
2017-07-26 cs.IT math.IT
Sequential Learning of CSI for MmWave Initial Alignment
毫米波通信旨在通过使用具有更大带宽的高方向性波束来满足对更高数据速率的需求。固有的挑战是获取毫米波传输所需的信道状态信息（CSI）。我们考虑在毫米波通信的初始对准阶段期间CSI的自适应和顺序学习的问题。我们专注于单用户与一个单一的主导路径的情况下，该问题相当于获取最佳波束形成向量，在理想情况下，所得到的波束指向的方向的到达角与所需的分辨率。我们提出了两种算法，用于自适应和顺序选择波束成形向量的学习的CSI，并制定了贝叶斯更新，以考虑随时间变化的衰落模型，扩展我们的先验。在数值上，我们分析了中断概率和预期的频谱效率，我们提出的算法，并证明了改进的策略，利用一个实用的分层码本。
2019-12-29 cs.IT eess.SP math.IT
On Single-User Interactive Beam Alignment in Next Generation Systems: A Deep Learning Viewpoint
NYU Tandon School of Engineering（纽约大学坦登工程学院）
毫米波和太赫兹等高频通信存在高路径损耗和强阴影效应，需要波束形成来实现可靠的数据传输。另一方面，在高频率下，信道是稀疏的，并且由很少的空间簇组成。因此，波束对准（BA）策略被用来找到这些信道簇的方向，并调整用于数据传输的波束的宽度。在这项工作中，被认为是一个单用户上行链路的情况下，信道有一个占主导地位的集群。假设用户在固定的持续时间内发送一组BA分组。同时，基站（BS）使用不同的探测波束扫描不同的角度区域。由于BS测量是有噪声的，因此不可能以概率1找到包括用户的到达角（AoA）的窄波束。因此，BS向用户分配窄波束，该窄波束包括具有预定错误概率的用户的AoA，同时最小化所分配波束的预期波束宽度。由于这个有噪声的BA问题的棘手性，这里这个问题被提出作为深度神经网络（DNN）的端到端优化，并且讨论和研究了不同损失函数的影响。据观察，所提出的基于DNN的BA在高SNR下实现了接近于无噪声时的最佳BA的性能，并且对于所有SNR，优于现有技术。
2021-02-20 cs.IT cs.LG math.IT
Robust Transceiver Design Based on Interference Alignment for Multi-User Multi-Cell MIMO Networks with Channel Uncertainty
在本文中，我们首先利用用户间干扰（IUI）和小区间干扰（ICI）作为有用的参考，开发一个强大的收发器设计的基础上干扰对齐的下行链路多用户多小区多输入多输出（MIMO）干扰网络下的信道估计误差。在发射端，我们提出了一种两层发射波束形成策略，首先通过最小化干扰泄漏和最大化系统能量效率来实现内部波束形成方向和分配功率。然后，对于外波束形成器的设计，我们开发了一种有效的共轭梯度格拉斯曼流形子空间跟踪算法，以最小化干扰子空间和干扰子空间之间的距离在时变信道。在接收端，提出了一种实用的基于快速数据投影法（FDPM）子空间跟踪的干扰对齐算法，实现了信道不确定条件下的接收波束形成。数值结果表明，我们提出的鲁棒收发器的设计实现了更好的性能相比，一些现有的方法在和速率和能量效率。
2017-04-15 cs.IT 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
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
