克服波束色散的太赫兹MIMO通信关键技术研究

Terahertz (THz) MIMO will play an important role for achieving high-speed data transmission in future wireless communication systems. Beamspace MIMO at THz frequency can improve the signal-to-noise ratio (SNR) by using a lens antenna array. However, the beamspace MIMO systems at THz frequencies suffer from performance loss due to the effect of beam squint. In this project, we will solve this problem both theoretically and technically. First of all, we will quantitatively analyze the capacity loss due to the beam squint of beamspace MIMO systems at THz frequencies. After that, we will propose a learned-approximate message passing (AMP) algorithm to estimate the beamspace channel with low pilot overhead. Based on the estimated channel information, we will select the energy-focused beams through a cross-entropy minimization method, where the sub-optimal data-rate performance can be achieved with low complexity. Through this project, we are aimed to solve the challenges of beamspace MIMO at THz frequencies and enable its application in future wireless communication systems.

太赫兹高速数据传输是未来移动通信发展的必然趋势，基于透镜天线阵列的波束MIMO技术能有效提高太赫兹通信系统的接收信噪比。但其存在的波束色散现象会导致波束角度无法精确对准用户，限制了带宽利用率与系统和速率。为了解决这一问题，本项目将首先分析波束色散对波束MIMO太赫兹通信系统容量的定量影响，为克服波束色散现象提供理论指导。其次，本项目将利用色散的波束信道特有的频变稀疏结构，提出基于机器学习-近似消息传递算法的低开销波束信道估计方法，以低导频开销准确获取波束信道信息。最后，利用波束信道信息，提出基于交互熵最小化的低复杂度波束选择方法，实现高精度波束赋型，获得准最优和速率性能。通过对上述基础理论和关键技术上的突破，解决波束MIMO太赫兹通信走向应用面临的关键科学问题，为其在未来移动通信中的广泛应用奠定基础。

太赫兹高速数据传输是满足未来无线通信容量需求的重要手段，波束MIMO技术能有效提高太赫兹通信系统的接收信噪比。然而，其存在的波束色散现象会导致波束角度无法精确对准用户，限制了带宽利用率与系统和速率。针对严重影响太赫兹MIMO通信系统性能的波束色散现象，从基础理论与关键技术两个层面对其展开研究，将对太赫兹波束MIMO技术在未来移动通信中的广泛部署与应用具有重要意义。. 为此，本项目首先建立了波束色散影响下，太赫兹MIMO通信系统容量分析框架，为克服波束色散现象提供了理论指导。其次，研究了太赫兹MIMO通信系统中，基于波束色散频变稀疏结构的低开销信道估计方法和导频设计方案。此外，还针对太赫兹MIMO通信中由波束色散所导致的性能恶化问题，提出了适用于宽带系统的多用户波束选择方案。. 最后，还进一步结合数值仿真，充分刻画出波束色散对波束MIMO通信系统容量的定量影响。相比于传统方案，所提出方案在波束色散的影响下，仍能够在估计开销、信息速率、能量效率与计算复杂度等方面具有明显优势。通过对上述基础理论和关键技术上的突破，有效解决了太赫兹波束MIMO通信走向应用面临的关键科学问题，为太赫兹通信技术的广泛应用提供了强有力的技术支撑。