为多用户mmWave大规模MIMO系统最大化基于最小相位差的混合波束成形

在无线通信领域，随着通信需求的不断增长，低频谱资源已经无法满足日益增长的通信需求。因此，研究者们逐渐将注意力转移到未充分利用的毫米波(mmWave)频段。毫米波通信的带宽通常高达8GHz，能够提供高容量的通信能力。然而，毫米波信号在传输过程中会遭受严重的路径损耗，例如在60GHz频率下的信号路径损耗比在2.4GHz频带下的信号高出28dB。幸运的是，毫米波的短波长有助于部署大规模阵列天线来补偿路径损耗。因此，毫米波与大规模多输入多输出(MIMO)系统的结合具有很大的研究前景。 传统MIMO系统通常使用全数字处理以实现最佳性能。然而，全数字处理需要为每个天线配置独立的射频(RF)链路。在毫米波大规模MIMO系统中，大量的天线需要大量的RF链路，这将导致高昂的成本和复杂的硬件设计。 为了解决这一问题，本文提出了一种基于最小相位差的混合波束成形算法，适用于毫米波大规模MIMO多用户系统。该算法利用信道增益阈值和阵列响应向量的相关特性来选择模拟波束成形向量码本中能提供更高信号功率的向量集。然后，通过模拟波束成形向量与主要传播路径阵列响应向量之间的相位差来衡量用户间干扰。此外，本文提出了最大化最小相位差的标准来抑制最强的用户间干扰。分析和仿真结果表明，与传统方法相比，所提出的算法能够在较低的计算复杂度下提供更高的系统总吞吐量。 混合波束成形技术是毫米波大规模MIMO系统中的关键技术之一，它结合了数字波束成形和模拟波束成形的优势。数字波束成形在基带进行，可以灵活地控制波束方向和形状，但计算复杂度较高。模拟波束成形则在射频端进行，通过调整模拟相位移器的相位来控制波束方向，计算复杂度较低，但灵活性有限。混合波束成形技术通过结合两者的优势，既能在一定程度上克服毫米波路径损耗大的问题，又能降低系统复杂度。 本文提出的算法主要贡献如下： 1. 提出了基于最小相位差的波束成形标准，这一标准可以有效抑制最强的用户间干扰。 2. 通过分析和仿真验证了该算法在系统总吞吐量提升和计算复杂度降低方面的有效性。 3. 强调了在设计毫米波大规模MIMO系统的波束成形算法时，考虑信道相关特性和用户间干扰的重要性。 在实际应用中，混合波束成形算法的设计与优化涉及多个方面，包括信道估计、波束赋形向量的选择、模拟波束成形的实现以及数字波束成形的算法优化等。这些技术的结合使得毫米波大规模MIMO系统能够在保持高吞吐量的同时，适应未来无线通信网络对能效和成本的要求。 本文所提出的基于最小相位差的混合波束成形算法为毫米波大规模MIMO多用户系统提供了新的性能提升途径，并且在实际部署中具有较高的应用价值。未来的研究可以进一步探讨如何在不同信道和用户条件下调整算法参数以获得更优的系统性能。同时，对于波束成形算法的进一步优化和硬件实现的可行性也是值得深入研究的方向。