600GHz無線通信系統(tǒng)波束成形技術(shù)研究.pdf

1、隨著多種傳輸速率超過吉比特每秒的高速應(yīng)用逐步走進(jìn)人們的生產(chǎn)生活，如高清晰多媒體接口HDMI和千兆位無線局域網(wǎng)等，現(xiàn)代生產(chǎn)和生活對高速高質(zhì)量無線通信服務(wù)的需求日益強(qiáng)烈。60GHz無線通信技術(shù)憑借其高達(dá)7GHz的帶寬、低成本CMOS器件可實(shí)現(xiàn)以及高達(dá)10W的發(fā)射功率等優(yōu)勢，成為近距離實(shí)現(xiàn)Gbps級高速傳輸?shù)臒o線通信的熱門技術(shù)。
　　 但是由于路徑損耗嚴(yán)重，60GHz無線通信在實(shí)現(xiàn)中遇到了困難，波束成形技術(shù)能夠改善傳輸質(zhì)量，提升系統(tǒng)容

2、量，很好地解決了60GHz無線通信遇到的難題;同時波束成形技術(shù)滿足60GHz系統(tǒng)低功耗、低設(shè)備復(fù)雜度的要求，能夠有效減少系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)開銷，因而成為60GHz無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
　　 本文通過研究60GHz無線通信系統(tǒng)中的波束成形技術(shù)，在對波束成形技術(shù)基本原理進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，全面探討了現(xiàn)今60GHz系統(tǒng)中波束成形的主流技術(shù)，包括波束碼本設(shè)計、波束搜索算法、DOA信息精確估計等關(guān)鍵研究內(nèi)容，本文的主要工作有以下幾個方面

3、:
　　 第一，研究了IEEE802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)中的波束成形碼本設(shè)計方案以及前人提出的一種3c碼本的改進(jìn)方案——N相位碼本設(shè)計方案，并進(jìn)行了基于窗函數(shù)的碼本設(shè)計方案研究，通過MATLAB仿真，從主瓣寬度、旁瓣高度、陣增益、穩(wěn)健性等方面比較了各種碼本的性能，并進(jìn)行應(yīng)用分析。第二，深入研究了IEEE802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)中給出的基于遍歷的搜索算法，在此基礎(chǔ)上提出了兩種性能更優(yōu)的波束搜索算法，通過理論推導(dǎo)得出其算法復(fù)雜度等性能參數(shù)

4、。第三，對自適應(yīng)波束成形技術(shù)中的DOA信息精確估計方法進(jìn)行了深入研究，主要是最小方差無畸變響應(yīng)MVDR（Minimum Variance Distortionless Response）算法、駕駛最小方差STMV（Steered Minimum Variance）算法和MUSIC算法等的理論推導(dǎo)和MATLAB仿真。提出了一種能夠改善MUSIC算法性能的基于駕駛協(xié)方差矩陣STCM（Steered Covariance Matrix）的MU

5、SIC算法，將上述算法應(yīng)用于60GHz信號的DOA估計，通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其在DOA估計精度和計算穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性。
　　 通過對60GHz無線通信系統(tǒng)波束成形技術(shù)的研究，得到了如下幾項(xiàng)成果:
　　 第一，采用窗函數(shù)加權(quán)函數(shù)進(jìn)行碼本設(shè)計，深入研究了基于切比雪夫窗函數(shù)碼本的性能，重點(diǎn)討論了切比雪夫窗函數(shù)的參數(shù)對波束碼本性能的影響，為基于切比雪夫窗函數(shù)碼本的應(yīng)用提供了參考。第二，在現(xiàn)有波束搜索算法基礎(chǔ)上，提出

6、了兩種新的波束搜索算法——自適應(yīng)扇區(qū)級波束搜索算法和逐級扇區(qū)波束搜索算法。通過理論分析和MATLAB仿真，驗(yàn)證了這兩種算法在搜索復(fù)雜度分別為o(N)和o(log2 N)，明顯優(yōu)于IEEE802.15.3c和IEEE802.11 ad標(biāo)準(zhǔn)中的波束搜索算法，且保證接近100％的搜索成功率。第三，將駕駛最小方差STMV算法應(yīng)用于60GHz信號，達(dá)到了處理寬帶信號時估計方差小、空間分辨率高的特點(diǎn)。提出基于駕駛協(xié)方差矩陣STCM的MUSIC算法，

7、應(yīng)用于60GHz信號的DOA估計，通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了兩種算法的在DOA精度和計算穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性。
　　 60GHz信號能量高度方向性的特點(diǎn)和60GHz系統(tǒng)低功耗、低設(shè)備復(fù)雜度的要求，決定了波束成形技術(shù)成為60GHz無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。本文全面研究了60GHz無線通信中的波束成形技術(shù)，包括基于波束搜索的切換波束成形技術(shù)和自適應(yīng)波束成形技術(shù)。一方面，分析了基于窗函數(shù)的碼本設(shè)計方案，并提出性能更優(yōu)的波束搜索算法;