大規(guī)模天線波束賦形的到達角估計研究.pdf

1、大規(guī)模多輸入多輸出(Massive Multiple Input Multiple Output，大規(guī)模MIMO)技術(shù)是未來第五代移動通信系統(tǒng)的候選技術(shù)之一。通過波束賦形技術(shù)在發(fā)射端對數(shù)據(jù)進行先加權(quán)后發(fā)送的操作，使得大規(guī)模MIMO形成窄的發(fā)射波束，將主要能量對準在接收端的目標用戶，提升頻譜資源的復(fù)用能力和各用戶的頻譜效率。成功進行波束賦形技術(shù)的關(guān)鍵之一是獲得精確的信源到達角信息。然而，當基站的天線部署從MIMO轉(zhuǎn)變成大規(guī)模MIMO的過程

2、中，對到達角信息進行精確估計的算法提出了新的挑戰(zhàn)。盡管現(xiàn)存有多種方法可以進行到達角估計，但采用的研究模型大多限于均勻線陣或簡單的矩形陣列、環(huán)形陣列。在大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的場景下，對二維到達角估計的研究仍存有較大空白。本文針對大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)，提出了適用于波束賦形技術(shù)的到達角估計算法，可以進行俯仰角-方位角的二維聯(lián)合估計，算法具有低復(fù)雜度、高估計精度的特點。本文的主要創(chuàng)新點歸納如下:
　　針對三種大規(guī)模天線陣列陣型進行了系統(tǒng)建模，

3、并對不同陣型的覆蓋能力和角度分辨能力進行了比較分析。研究了大規(guī)模天線波束賦形技術(shù)呈現(xiàn)出的新特性:定向波束維度擴展和波束分辨能力提高。通過對形成最佳權(quán)向量的三種約束準則的推導(dǎo)，闡明了波束賦形技術(shù)和到達角估計的關(guān)系。
　　針對波束賦形技術(shù)中的到達角估計，研究了兩類估計算法:多重信號分類算法(Multiple Signal Classification，MUSIC)和借助旋轉(zhuǎn)不變性的信號參數(shù)估計技術(shù)(Estimation of Sign

4、al Parameters via Rotational Invariance Techniques, ESPRIT)。借助數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)和實際室內(nèi)測量數(shù)據(jù)，對算法進行性能評估并提出大規(guī)模陣列波束賦形中到達角估計算法的設(shè)計準則。
　　針對大規(guī)模均勻矩形陣列，采用酉EPSRIT算法實現(xiàn)俯仰角和方位角的二維聯(lián)合估計。因為算法具有高精度、低復(fù)雜度、去相干、對二維角度自動配對等優(yōu)點，使到達角的估計性能在大規(guī)模天線陣下的表現(xiàn)十分優(yōu)異。利用蒙特