600GHz無線通信系統(tǒng)波束成形技術研究.pdf

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

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

3、:
　　 第一，研究了IEEE802.15.3c標準中的波束成形碼本設計方案以及前人提出的一種3c碼本的改進方案——N相位碼本設計方案，并進行了基于窗函數的碼本設計方案研究，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，并進行應用分析。第二，深入研究了IEEE802.15.3c標準中給出的基于遍歷的搜索算法，在此基礎上提出了兩種性能更優(yōu)的波束搜索算法，通過理論推導得出其算法復雜度等性能參數

4、。第三，對自適應波束成形技術中的DOA信息精確估計方法進行了深入研究，主要是最小方差無畸變響應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，將上述算法應用于60GHz信號的DOA估計，通過理論分析和仿真實驗結果驗證了其在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)波束成形技術的研究，得到了如下幾項成果:
　　 第一，采用窗函數加權函數進行碼本設計，深入研究了基于切比雪夫窗函數碼本的性能，重點討論了切比雪夫窗函數的參數對波束碼本性能的影響，為基于切比雪夫窗函數碼本的應用提供了參考。第二，在現(xiàn)有波束搜索算法基礎上，提出

6、了兩種新的波束搜索算法——自適應扇區(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，驗證了這兩種算法在搜索復雜度分別為o(N)和o(log2 N)，明顯優(yōu)于IEEE802.15.3c和IEEE802.11 ad標準中的波束搜索算法，且保證接近100％的搜索成功率。第三，將駕駛最小方差STMV算法應用于60GHz信號，達到了處理寬帶信號時估計方差小、空間分辨率高的特點。提出基于駕駛協(xié)方差矩陣STCM的MUSIC算法，

7、應用于60GHz信號的DOA估計，通過理論分析和仿真實驗結果驗證了兩種算法的在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和60GHz系統(tǒng)低功耗、低設備復雜度的要求，決定了波束成形技術成為60GHz無線通信領域的關鍵技術。本文全面研究了60GHz無線通信中的波束成形技術，包括基于波束搜索的切換波束成形技術和自適應波束成形技術。一方面，分析了基于窗函數的碼本設計方案，并提出性能更優(yōu)的波束搜索算法;