面向第五代通信系统中毫米波通信的关键技术研究

Based on our current research results in millimeter wave wireless communications, we propose further our research to face the new research demands in 5G millimeter wave wireless, e.g. outdoor, mid-to-long distance, multi-user, wideband, and frequency selective fading channels. Firstly, we propose an extended channel model based on the environment matrix, which characterizes the environment statistics and further help improve fast acquisition and tracking of transmit and receive beams. Next, we study hierarchical codebook designs and especially wide beam codebook designs, for which we will define new performance metrics, formulate the codebook design problem into a constrained optimization problem, and then solve the problem using advanced optimization tools. Further, we will study multi-user antenna array training, where we explore new optimization criteria in the iterative antenna training process, and also combine iterative antenna training with the channel estimation techniques based on compressed sensing. Lastly, we will study antenna array training in frequency selective fading channels, and propose a new performance metric that can quantify the performance beautifully in the wideband system; we will then formulate the channel estimation problem into a two dimensional sparse problem and solve the problem using advanced compressed sensing tools.

本项目建议以本工作组已经积累的深厚毫米波通信研究成果为基础，针对毫米波通信中的一系列新的研究方向与新的要求（5G、室外、中远距离、多用户、宽频带、频率选择性衰落信道等）展开深入研究。首先，我们研究并提出一种基于环境矩阵的扩展反射直射信道模型，使得环境统计特性可以被完整描述，并进而帮助天线阵列的快速捕捉与跟踪。其次，我们研究基于二叉树搜索的多级码本构造，尤其是其中的宽波束码本设计。我们将定义全新的性能指标，将码本设计转化成带约束的优化问题，并在此基础上进行优化求解。再次，我们研究多用户条件下的天线阵列训练问题，采用全新的优化准则进行天线阵列训练，并将迭代式阵列训练与压缩感知的信道估计相结合，以得出更加优良的阵列训练方案。最后，我们研究频率选择性衰落条件下的天线阵列训练问题，提出一种全新的性能指标以衡量各种设计的优劣；并在此基础上，将问题转化成角度域与时延域的双重稀疏问题，并加以求解优化。

【项目背景】.毫米波通信是应对移动互联网的网络容量与用户需求之间矛盾，突破传统的无线通信技术发展瓶颈的关键技术。.【主要研究内容】.本项目针对5G移动通信多用户通信场景，研究实用的宽带通信系统中的天线阵列训练、信道估计等，具体有：.提出毫米波大规模天线系统的扩展反射直射信道模型；在此基础上研究如何利用反射面固定特性的方法来帮助毫米波信道捕捉与跟踪。.设计基于二叉树的码字搜索的宽波束码本，该码本设计可以使得波束捕捉成功率达到最佳。.在5G多用户天线场景下，设计高效率低开销的天线阵列训练方法使得多个用户可以同时进行阵列训练；将迭代式阵列训练与压缩感知相结合设计。.面向6G移动通信系统，提出了分布式激光无线传能理论，并研究基于分布式电磁波共振腔作为天线的共振波束通信机制。.【关键数据】.本项目均按计划执行，已完成研究目标。项目实施四年期内，完成3次年度考核，共发表11篇相关学术论文（其中9篇期刊论文，2篇会议论文），申请中国专利4项（其中授权1项），培养博士研究生1名、硕士研究生4名。.【重要结果】.围绕毫米波大规模天线通信系统，我们系统深入地研究了面向第五代通信系统中的毫米波通信的关键问题和核心技术。定位于室外、中距离、多用户、宽频带，我们提出了适合下一代5G商用的信道模型和关键算法，具体有：.·提出毫米波大规模天线系统的扩展反射直射信道模型.·设计基于二叉树的码字搜索的宽波束码本.·设计5G多用户天线场景下的高效率、低开销天线阵列训练方法.·设计5G宽频带通信场景下的压缩感知信道估计算法.·思考面向6G的无线能量传输与通信机制.【科学意义】.研究与设计了5G商用的拓展信道模型、高效率低开销的宽波束码本、大规模天线阵列训练方法与信道估计方法等，并开发出具有广阔应用前景的实用毫米波技术，使之能够被5G第五代无线通信系统采纳并大规模商用。