毫米波通信收发联合波束赋形研究

Millimeter-wave communications (MMWC) plays a cardinal role in both the next-generation wireless local area network (WLAN) and mobile communications, and Tx/Rx joint beamforming (TRJB) is one of the key challenges in MMWC. The existing research has mainly focused on single data stream oriented analog beamforming (AB) and digital beamforming (DB), which are two sub-branches in this area. Currently, as the industry started to consider applying MMWC to the fifth-generation mobile communications, the concept of hybrid digital/analog Beamforming (HDAB) orienting toward multiple data streams is presented. Therefore, HDAB is being faced with a crucial development opportunity, and could be rapidly developed into another important branch in TRJB for MMWC. Based on our solid foundation of both AB and DB, in this project we will conduct in-depth research on HDAB, from the perspectives of achievable capacity and practical algorithms, respectively, in order to promote the theory of HDAB, shape international influence in this academic branch, and laid theoretical and technical foundations for the industralization of MMWC.

毫米波通信在下一代无线局域网及移动通信中都具有重要地位，而收发联合波束赋形则是毫米波通信的核心关键技术之一。已有研究主要集中于支持单数据流的模拟波束赋形和数字波束赋形两个子分支。当下，随着业界开始考虑将毫米波通信应用于第五代移动通信中，支持多数据流的混合模数波束赋形的概念被提出。因此，混合数模波束赋形正面临着重要的发展时机，并将可能迅速发展成为毫米波通信收发联合波束赋形研究中另一重要分支。本项目将基于我们在模拟波束赋形和数字波束赋形两方面的坚实基础，从可达容量和实用算法两方面对混合模数波束赋形展开深入研究，以发展混合数模波束赋形理论，并在这一学术分支形成国际影响力，为毫米波通信的产业化奠定理论和技术基础。

本项目针对毫米波通信收发联合波束赋形技术开展研究，在模拟波束赋形信道建模及信道估计方面，提出了基于联合子阵法与关闭法的层次化码本设计方法，以及增强型层次化码本设计及毫米波信道稀疏重建方法，大大降低了毫米波通信波束训练及信道估计的复杂度；在混合数模波束赋形容量研究及算法设计方面，提出了针对混合预编码结构的层次化码本，针对毫米波MIMO系统的低复杂度信道估计与混合预编码，进行了空分多址毫米波系统的闭式性能分析，这一系列算法有助于毫米波混合波束赋形系统的实用化；在机载毫米波通信波束赋形技术方面，提出了基于毫米波通信的无人机蜂窝技术框架，基于波束赋形的毫米波无人机全双工传输方案，以及机载毫米波阵列柔性波束覆盖方法，从而推广了毫米波通信技术在无人机方面的应用；在毫米波多址接入方面，提出了毫米波相控阵列天线非正交多址传输方法，联合优化用户分组，功率分配，以及波束赋形来提高用户可达率，使其逼近理论上界；研制了毫米波收发端阵列宽带数据链设备，进行关键理论及核心算法验证，用于机群协同通信系统空地阵列传输设备，已成功应用于朔黄铁路、胜利油田等无人机监视巡检系统。..相关成果发表高水平学术论文20篇，其中SCI Q1区论文16篇，IEEE汇刊9篇，ESI高被引论文3篇（其中2篇同时入选ESI热点论文），Web of Science总引用量384次，单篇最高引用118次，在中国国际通信大会（IEEE/CIC ICCC 2019）进行专题报告，相关研究成果获得国际同行专家的广泛关注与正面评价；申请国家发明专利10项，授权美国发明专利1项；项目成果获2019年度中国航空学会技术发明一等奖及2018年度中国电子学会自然科学二等奖。