面向毫米波通信的阵列信号处理技术研究

As a key technique to realize “enormous capacity, huge connection, wide application” goal of the future mobile systems, the millimeter wave (mmWave) MIMO technique becomes the focus of academia and industry. However, because of the incorporation of large-scale antenna systems and the restriction of mmWave systems with respect to hardware cost and power consumption, there still exist many critical theories and technical challenges to be solved in mmWave communication area. Based on the array signal processing theory, this project focuses on MIMO architecture design, channel estimation and channel tracking techniques in mmWave systems, including: 1) based on the difference co-array technique, transform the MIMO architecture design into sparse array design to greatly decrease the complexity and power consumption; 2) according to the direction finding theory, propose off-grid and gridless based mmWave channel estimation techniques to solve the high complexity issue in traditional mmWave channel estimation; 3) by exploiting the relationship between the channel tracking and angle tracking, propose channel tracking methods based on Doppler-angle joint estimation as well as the prior knowledge of the angles, improving the accuracy of tracking in moderate/high speed mobile environments. The research work of this project will provide theoretical bases and technical approaches to develop low-cost and practical mmWave communication, and promote its application in the next generation mobile communication systems.

毫米波MIMO技术作为未来通信系统实现“巨容量、巨连接、泛应用”的一项关键技术，成为当前学术界和产业界关注的焦点。然而，由于大规模天线阵的引入以及毫米波系统对硬件成本和功耗的限制，毫米波通信领域还存在着许多关键理论和技术难题亟待解决。本项目从阵列信号处理理论出发，对毫米波通信系统中的MIMO架构设计、信道估计和信道跟踪三个方向进行深入研究，包括：1）基于差分虚拟阵列技术，将MIMO架构设计转换为稀疏阵列设计，大幅降低了系统复杂度和功耗；2）基于阵列测向理论，提出离格和无格类毫米波信道估计方法，有效解决了传统毫米波信道估计中的高复杂度问题；3）通过探索信道跟踪问题与角度跟踪问题之间的关联性，提出基于多普勒频移-角度联合估计以及角度先验的信道跟踪方法，提升了中高速移动场景下信道跟踪的精度。本项目的研究成果将为毫米波通信的低成本化和实用化提供理论依据和技术方案，推动其在下一代通信系统中的应用。

毫米波通信是下一代移动通信系统中的重要技术。由于频段的提升和天线数的大幅增加，导致毫米波通信系统呈现出有别于现有低频系统的几个特点，使得现有通信系统的信号处理方法难以适用于毫米波通信系统。本项目针对毫米波通信系统中的具体问题展开研究，详细探讨了以下几个方面：1）针对通道数远少于天线数这一特点，基于稀疏阵列理论，利用开关器件设计低复杂度的毫米波数模混合架构，大幅改善了毫米波通信系统面临的高复杂度、高成本问题，能够有效推动毫米波系统实用化和低成本化进程。2）针对现有信道估计方法需对角度空间进行网格划分这一问题展开研究，利用协方差匹配准则等技术，设计无网格信道估计方法，彻底消除了网格划分带来的低精度、高计算量等问题，有效提升了毫米波通信系统中信道估计和跟踪的精度，并降低了计算量。3）超大规模阵列是下一代通信系统中的新兴技术。由于阵列孔径大，用户有可能位于阵列的近场区域，使得传统远场信源假设失效。本项目探讨了远近场混合信源场景下的信道参数估计问题。针对包括均匀/稀疏线阵、均匀/稀疏十字阵在内的多种应用场景，将信道估计问题转换为角度和距离参数的联合估计问题，并设计基于原子范数、低秩矩阵分解等技术的无网格参数估计方法进行求解，能够突破网格划分带来的局限性。同时设计低复杂度的快速求解算法，从而大幅改善了近场信源参数求解的高复杂度问题。4) 针对室内定位场景，研究基于极限学习机的楼层定位和室内定位技术，提升现有机器学习方法的定位精度。本项目的研究成果为后续在下一代移动通信系统，特别是超大规模阵列场景中实现高精度、低复杂度的信道估计和跟踪奠定基础。