关键词：
毫米波
无线波束调制
空中调制
低成本
低功耗
摘要：
随着带宽密集型应用的日益丰富,多媒体业务主导的移动数据流量呈指数级爆发式增长,给当前无线通信系统带来了巨大挑战。目前,主流无线通信系统主要集中在sub-6 GHz频段,难以满足未来大容量、高速率的通信需求。作为5G通信中的核心物理层技术,毫米波频段拥有丰富的带宽资源,具备满足未来通信需求的巨大潜力。然而,传统毫米波通信系统面临着高成本、高功耗和高复杂度的挑战。一方面,毫米波系统通常需要结合相控阵和波束成形技术来生成波束,通过波束增益补偿毫米波信号的强传输损耗;另一方面,毫米波系统依赖复杂的射频链来完成基带信号与射频信号之间的转换、传输和处理。其中,相控阵和射频链结构复杂,通常具有较高的成本和功耗,尤其是支持毫米波频段的射频器件。因此,需要深入研究其毫米波通信的理论基础和关键技术,并探索低成本、低功耗的毫米波通信传输方案,以为未来毫米波通信向低成本、低功耗、低复杂度方向发展提供坚实的理论支持。
新兴的空中调制技术基于信道衰减差异特性实现调制,有助于实现低成本、低功耗和低复杂度的毫米波通信系统。该技术突破了传统通信系统的设计理念,不再将空间信道的衰减特性视为单纯的有害现象,而是巧妙地利用信道衰减差异来实现信号调制。与传统无线通信在发送端完成调制不同,空中调制技术在信道传输过程中实现调制。这一特性简化了系统的硬件结构,移除了发射端的调制组件和射频链中的大部分器件,从而降低了毫米波通信的成本和功耗。同时,该特性降低了系统对毫米波信号同步的需求,进一步简化了毫米波通信的复杂度。然而,传统空中调制系统中的节点的波束是固定的,无法支持波束扫描与对齐,而接收端的天线为全向天线,无法提供波束增益且不支持空分复用,因而空中调制系统通信性能有限,且信道容量和频谱效率较低。针对以上挑战,可考虑将空中调制系统引入多天线技术来生成多波束来支持空分多址,从而有效提高频谱效率和信道容量。综上,空中调制技术为未来毫米波通信系统向低成本、低功耗、低复杂度的方向发展提供了新的研究思路。
本文以空中调制为研究核心,利用随机过程、矩阵理论等分析工具,建立了空中调制的理论分析模型,并研究了其通信性能边界。在此基础上,针对传统空中调制系统的不足,本文以系统建模和理论分析为指导,提出了无线波束调制系统。作为空中调制技术的延伸与扩展,无线波束调制系统在理论上克服了传统空中调制系统在性能和多节点接入方面的限制。具体而言,本文从系统理论、协议设计、信号处理和硬件原型四个方面,逐层递进,深入研究了无线波束调制的建模与优化问题,并完成了硬件原型的设计与验证,能够在系统成本效率和能量效率上取得了显著优势。主要内容和贡献可分为以下四个部分:
1.空中调制系统与无线波束调制系统的建模与理论分析。本文首先对空中调制系统进行理论建模,并以通信性能为切入点,深入分析了误码率等通信指标。基于此系统建模和理论分析,针对空中调制系统的不足,提出了无线波束调制系统,并进一步完成了系统建模、理论分析及优化,本文从理论上克服了传统空中调制系统在性能和多节点空分多址接入方面的限制,提高了无线波束调制系统的性能。仿真结果验证了本研究中理论建模与分析的有效性。
2.多节点无线波束调制系统的空分多址接入优化方案。本文针对无线波束调制系统在多节点空分多址接入中产生的干扰,提出了矩分析框架,用于消除载波频偏和相位偏移在能量检测过程中引发的非线性干扰。基于该框架,本文提出了基于最大似然准则的干扰消除算法,在能量域实现了干扰消除。此外,所提出的框架和算法在理论上降低了系统对同步和硬件精度的要求,降低了系统的成本和功耗。仿真结果验证了该框架和算法在信号处理中的有效性。
3.基于混合波束扫描机制的无线波束调制系统多节点接入协议方案。为了解决无线波束调制系统的多节点接入的问题,本文提出了一种基于混合波束的扫描机制,并基于该机制设计了多节点接入协议。在该机制中,接收端基于相控阵实现波束扫描,而节点端基于机械装置实现波束扫描。随后,本文对混合波束扫描机制进行了理论建模,并分析了其在收发两端波束扫描效率不匹配、扫描无法联合等方面存在的问题。针对这些问题,基于混合波束扫描机制,本章提出了多节点的接入协议。最后,通过仿真与性能评估,对所提出的基于混合波束扫描机制的多节点接入协议方案进行了验证。
4.无线波束调制系统硬件原型实现与验证。本文实现了无线波束调制系统的硬件原型,并建立了硬件能量消耗模型,并对系统成本效率和能量效率进行了分析,并在室内和外场环境下测试了硬件原型,验证了所提无线波束调制系统在低成本低功耗方面的优势。
综上所述,本文通过对无线波束调制系统的建模、理论分析及性能优化,为空中调制在未来低成本、低功耗毫米波通信中的部署与应用奠定了坚实的理论基础。作为实现低成本、低功耗毫米波通信的关键潜在技术,空中调制为未来设计
