60GHz短距离无线通信系统中的波束成形研究

Due to the high path loss and limited capability of CMOS power amplifier, 60GHz systems often adopt antenna array beamforming to meet the link budget requirement at desirable distances. So far, however, the 60GHz beamforming technology is far from mature and thus needs further investigation. In view of this, this project will focus on 60GHz beamforming technology. The project contents include the following parts: (1) Low-complexity digital beamforming, analog beamforming, hybrid digital and analog beamforming. Moreover, the exsiting codebooks for 60GHz systems will be modified to increase the performance. (2) EIRP constrained beamforming. By explicitly considering EIRP constraint, we will present optimal、suboptimal beamforming solutions. (3) Adaptive sub-array selection. In scenarios where there are a large number of antenna elements but a small number of RF chains, adaptive sub-array selection technique is often used in practice. We will take into account hardware complexity limitation in 60GHz systems, exploit compressed sensing to address low-complexity adaptive sub-array selection methods. (4) beamforming incorporating RF imperfections. Due to the limitation of CMOS process, 60GHz RF components easily suffer from impairments. We will investigate the effect of RF imperfections on the beamformed 60GHz systems. Furthermore, we will address joint processing for the determination of beamforming vectors and the estimation/compensation of RF impairments.

由于高的传输损耗和CMOS功放的能力限制，60GHz系统常采用天线阵波束成形技术，来满足在要求的距离范围内的链路预算要求。然而，现在60GHz波束成形的研究还很不成熟，有待深入，因此本项目将聚焦于60GHz系统中的波束成形研究。 本项目研究内容包括： (1) 低复杂度数字、模拟、数模混合波束成形。另外，还将改进现有的码书以提高性能。 (2) EIRP受限的波束成形。通过直接考虑EIRP限制，研究最优的或者次优的波束成形方法。 (3) 自适应子阵选择。在天线阵元很多而射频链路很少的情况下，在实际中常使用自适应子阵选择。将考虑60GHz系统的硬件限制，应用压缩感知来研究低复杂度的自适应子阵选择方法。 (4) 考虑射频非理想性的波束成形。由于CMOS限制，60GHz射频模块容易受到非理想性的影响。将研究射频非理想性对波束成形系统的影响；另外，将研究波束成形和射频非理想性估计/补偿的联合处理

对于60GHz毫米波无线通信中的波束成形技术，本项目进行了系统的研究。主要研究内容、重要结果和科学意义包括：（1）针对模拟MIMO系统中的波束成形，提出了基于压缩感知的迭代和非迭代的多种波束成形方法，这些方法能够从设计的码本中选取最优的发射和接收波束矢量对，却只需要很少的训练开销,具有较强的实用性。比如，一种非迭代的方法非常适用于一个中心接入点和多个接入设备的情况，比如wifi的应用场景。（2）针对采用波束成形的模拟MIMO系统，提出了对于射频非理想特性， 包括IQ不平衡和相位噪声等，的多种基带估计、补偿/抑制方案，并在自主开发的硬件平台上成功应用。（3）针对模拟数字混合的MIMO系统，提出了基于级数迭代和Lanczos迭代的两种波束成形方法，这些方法能以很温和的训练开销，逼近最优的基于奇异值分集的波束成形方法。（4）研究并提出了多种基于贝叶斯推理的压缩感知技术，并将其成功应用于蜂窝系统中的多天线毫米波信道估计，大大便利了波束成形技术的实际应用。