基于信道互易性的波束成形全解
无线通信中的波束成形技术研究
无线通信中的波束成形技术研究一、引言随着无线通信的快速发展，人们对无线网络传输速度和稳定性的需求越来越高。
波束成形技术作为一种通信信号处理技术，可以提高通信系统的信号质量和传输距离，被广泛应用于无线通信系统中。
本文将从波束成形技术的基础原理、具体实现以及未来发展等方面进行研究探讨。
二、波束成形技术的基础原理波束成形技术是通过对传输信号进行合理加权和相位调整，将信号能量集中在特定的方向，形成一束窄而强的信号，从而提高信号的传输效果。
其基础原理可分为两个方面：波束形成和波束跟踪。
1. 波束形成：波束形成是利用天线阵列的相位差造成信号的相干相位叠加，从而将信号能量集中在特定方向。
波束形成依赖于波束赋形算法，常用的算法包括最小均方误差（MMSE）算法、最大信噪比（MSN）算法和最大功率传输（MPT）算法等。
2. 波束跟踪：波束跟踪是指通过算法和信号处理技术实时跟踪用户的位置和通信环境变化，并对波束进行动态调整以保持通信链路的稳定性和可靠性。
三、波束成形技术的具体实现波束成形技术的具体实现需要考虑多个因素，包括天线阵列、信号处理算法、信道估计和反馈等。
1. 天线阵列：天线阵列是波束成形的关键组成部分，不同的天线阵列结构对波束成形的效果有着重要影响。
目前常用的天线阵列包括均匀线阵、均匀面阵、非均匀阵列等，在设计天线阵列时需要考虑阵列的形状、大小、发射功率和接收灵敏度等参数。
2. 信号处理算法：信号处理算法是实现波束成形的关键，合理选择算法能够提高波束成形的性能。
常用的算法有协方差矩阵的特征分解法、最大似然估计算法和扩展卡尔曼滤波算法等。
3. 信道估计和反馈：波束成形技术需要对信道进行准确估计，以便实时调整波束的方向和形状。
同时，需要将估计的信道信息反馈给发送端，实现波束的动态调整。
常用的信道估计方法有最小均方误差估计和最大似然估计等。
四、波束成形技术在实际应用中的挑战波束成形技术在实际应用中面临一些挑战，需要进一步研究和改进。
基于机器学习的毫米波MIMO系统波束成形设计
摘 要 ：在 毫 米 波 大 规 模 多 输 人 多 输 出 系 统 中 .基 于 码 本 的 模 拟 预 编 码 器 联 合 最 优 化 设 计 理 论 上 可 以 通
过 穷 尽 搜 索 得 到 ，但 其 过 高 的 搜 索 复 杂 度 阻 碍 了 实 际 应 用 . 受 机 器 学 习 中 交 叉 熵 最 优 化 的 启 发 ，文 章 提 出 一 种
的 复 增 益 ，心.，和心.，则 分 别 是 该 路 径 的 发 射 方 位 角 和 到 达 方 位 角 .§,(0 ) 与 ^ ( 0 )分 别表示发射端和接
收 端 天 线 阵 列 响 应 向 量 ，当 采 用 均 匀 线 性 阵 列 时 ，天线阵列响应向量可表示为
容⑷ ==」 _ [ 1 ，# 祕 ， …
M r 个向量组成•当给定F 和 W ，基 站 射 频 端 到 移 动 射 频 端 之 间 的 数 据 可 达 率 可 以 表 示 为
J?(F ,W)==log2( I d + - ^ R ：'W hH F F hH hW ).
(9)
其 中 ：i^ = < T2WHW 为 噪 声 相 关 矩 阵 ，| . | 表 示 矩 阵 的 行 列 式 . 本 文 联 合 设 计 {F ,VV}使 得 数 据 可 达 率 i?(F .W)最 大 化 ：
收 稿 日 期 ：2020-05-17 作 者 简 介 ：袁 怡 圃 （ 1979 —），男 ，福 建 厦 门 人 ，讲 师 ，博 士 ，从 事 无 线 通 信 、信 号 处 理 等 研 究 . 基 金 项 目 ：泉 州 师 范 学 院 大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 项 目 （S201910399066)
基 于 小 规 模 M IM O 系 统 开 发 的 传 统 波 束 成 形 方 案 在 大 规 模 M IM O 系 统 中 将 面 临 高 成 本 、高功耗的 问题.该问题的一种解决方案是使用混合结构的波束成形系统.混合结构波束成形系统包含低维度的数 字 预 编 码 器 和 高 维 度 的 模 拟 预 编 码 器 ，通 过 使 用 数 量 远 少 于 天 线 数 的 射 频 链 来 实 现 成 本 和 功 耗 的 有 效 降低[23].在实 际 应 用 中 ，模 拟 预 编 码 器 一 般 由 有 限 精 度 的 相 移 器 组 成 ，其 恒 模 约 束 导 致 混 合 波 束 成 形 的 最优化设计问题难以直接解决.通常采用基于码本的搜索方法来设计模拟预编码器.理论上最佳的模拟 预 编 码 器 可 通 过 穷 尽 搜 索 法 （ exhaustive search algorithm, E S A )来 得 到 ，但 因 其 搜 索 复 杂 度 与 相 移 器 的 量 化 位 数 和 射 频 链 数 呈 指 数 关 系 ，无法在实际中应用.
41. 无线通信中的波束成形技术如何实现？
41. 无线通信中的波束成形技术如何实现？41、无线通信中的波束成形技术如何实现？在当今的无线通信领域，波束成形技术正发挥着日益重要的作用。
它宛如一位神奇的魔术师，能够显著提升通信质量和效率，让我们在信息的海洋中畅游得更加顺畅。
那么，波束成形技术究竟是如何实现的呢？要理解波束成形技术的实现，首先得从电磁波的传播特性说起。
电磁波在空间中传播时，会以球面波的形式向外扩散。
这就好比往平静的湖面扔一块石头，产生的涟漪会向四周扩散。
但在无线通信中，我们希望信号能够像一束精准的激光，直直地指向目标接收设备，而不是漫无目的地向四周发散。
这就是波束成形技术要解决的核心问题。
实现波束成形的关键在于天线阵列。
想象一下，一组排列整齐的天线就像一个训练有素的合唱团，每个天线都是一名歌手。
通过精确地控制每个天线发送信号的相位和幅度，就能够让这些信号在空间中相互叠加，形成一个指向特定方向的强大波束。
这就好像合唱团中的歌手们通过协调各自的发声，共同唱出一首指向特定方向的响亮歌曲。
那么，如何精确控制天线发送信号的相位和幅度呢？这就需要用到复杂的算法和信号处理技术。
在发送端，系统会根据目标接收设备的位置和方向等信息，计算出每个天线应该发送的信号的相位和幅度。
这些计算通常基于数学模型和大量的测量数据。
然后，通过电子电路或软件控制，将调整后的信号发送出去。
在接收端，波束成形技术也同样重要。
接收天线阵列接收到的信号是多个不同方向传来的电磁波的叠加。
通过对每个天线接收到的信号进行分析和处理，可以确定信号的来源方向，并增强来自目标方向的信号，同时抑制来自其他方向的干扰。
为了实现精确的波束成形，还需要对无线信道进行准确的估计。
无线信道就像是一条充满变数的道路，信号在其中传播会受到各种因素的影响，比如障碍物的阻挡、多径传播等。
通过发送一些已知的训练序列，接收端可以对信道的特性进行测量和估计，从而为波束成形提供更准确的参数。
另外，自适应波束成形也是波束成形技术的一个重要发展方向。
不理想的信道互易性对波束成形技术的影响
不理想的信道互易性对波束成形技术的影响赵昆; 蒋智宁【期刊名称】《《电讯技术》》【年(卷),期】2013(000)001【总页数】3页(P60-62)【关键词】无线通信; LTE系统; 波束成形; 信道互易性【作者】赵昆; 蒋智宁【作者单位】上海贝尔股份有限公司，上海201206【正文语种】中文【中图分类】TN929在无线通信系统中,基站通过使用波束成形(Beam Forming)技术提升系统性能[1]。
根据信道互易性,基站可以通过估计终端上行发送信号获得信道状态信息(CSI),用其计算波束成形的加权。
因此,CSI的准确性对波束成形性能会产生影响,文献[2]对无编码的窄带多输入单输出(MISO)系统中的不理想CSI进行了理论分析。
然而,无编码的窄带MISO系统并不完全符合实际无线通信系统的特性,如长期演进(LTE)系统就是有信道编码的宽带正交频分复用(OFDM)多输入多输出(MIMO)系统[3]。
为了指导实际系统的设计,本文定性分析了LTE中导致信道互易性不理想的主要因素,并定量分析了该因素对波束成形增益的影响。
1 系统模型考虑发送机有M根天线、接收机有 N根天线的下行多输入多输出(MIMO)系统,基带信号表达式为其中,r是N×1的接收信号矢量,HDL是N×M的下行信道矩阵,w是M×1的波束成形权重矢量,s是1×1的发送数据,n是N×1的接收噪声矢量。
根据信道互易性原理,w需要根据上行CSI计算得到的。
假设上行CSI是理想的,那么有由文献[4],对 HUL做奇异值分解(SVD)即可以得到w。
2 问题分析在LTE系统标准化过程中,对上行和下行的峰值速率提出了不同的要求。
如文献[5]所给出的,在20 MHz的系统中,子帧结构1下,下行2发2收的系统要达到172.8 MHz的速率,而上行只要达到86.4 MHz。
这说明LTE的上行终端发送天线只需要1根就可以达到标准化的要求,而下行最少需要2根终端接收天线才可以达到要求。
5G通信中基于波束成形的信道估计与优化算法研究
5G通信中基于波束成形的信道估计与优化算法研究随着互联网的快速发展，人们对更高速、更可靠的无线通信需求日益增加。
为了满足这一需求，第五代移动通信技术（5G）应运而生。
作为5G关键技术之一，基于波束成形的信号传输被广泛应用于5G通信中。
基于波束成形的信道估计是实现高速、高可靠性通信的关键步骤之一。
它通过对信道特性的准确估计来优化波束的形成，从而提高信号的质量和传输的效率。
本文将探讨5G通信中基于波束成形的信道估计与优化算法的研究。
首先，我们将介绍波束成形的基本原理。
波束成形是通过调整天线阵列中每个天线的相位和振幅来控制信号的传播方向和功率分布。
通过优化天线阵列的参数，可以将信号能量聚焦在特定的方向上，从而提高信号的强度和可靠性。
波束成形的基本原理为信道估计和优化算法提供了基础。
其次，我们将探讨基于波束成形的信道估计算法。
信道估计是指在给定的环境下准确地推断信道特性的过程。
基于波束成形的信道估计算法通常利用天线阵列以及反馈信息来推断信道的特性。
常用的算法包括最小二乘法（Least Squares, LS）、最小均方误差（Minimum Mean Square Error, MMSE）等。
这些算法通过对接收信号进行统计分析，利用信号的特性来估计信道的参数。
同时，引入深度学习等技术也在信道估计中得到了广泛的应用。
第三，我们将讲解基于波束成形的信道优化算法。
信道优化算法旨在通过优化传输方案来提高信号的质量和传输效率。
常用的算法有基于蜂窝中心化的最大比例传输（Max-Min Fairness）、基于分布式约束的功率优化等。
这些算法结合了基于波束成形的信道估计结果，通过优化传输参数，使得信号的传输达到最佳状态。
此外，深度学习技术也被引入到信道优化算法中，通过对大量的数据进行训练和学习，优化算法能够自适应地调整波束形状和功率分配。
最后，我们将讨论基于波束成形的信道估计与优化算法的应用前景。
基于波束成形的信道估计与优化算法在5G通信中有着广泛的应用前景。
TD-LTE系统中基于奇异值分解的高效波束赋形方法
TD-LTE系统中基于奇异值分解的高效波束赋形方法樊迅;郭彬;曹伟;蒋智宁【摘要】为了克服TD-LTE系统中传统的基于矩阵信道的迭代波束赋形方法复杂度较大且可能不收敛的问题,提出一种基于奇异值分解的高效波束赋形方法.该方法利用系统终端侧仅有2根天线的系统特性,采用基于2×2矩阵特征值分解公式的矩阵信道奇异值分解获得波束赋形天线加权向量;不仅可以直接获得精确的加权向量,而且相对于传统迭代方法大幅降低了复杂度.理论分析和仿真结果验证了所提方法的有效性.【期刊名称】《电讯技术》【年(卷),期】2010(050)008【总页数】6页(P46-51)【关键词】TD-LTE;波束赋形;奇异值分解;信道互易性【作者】樊迅;郭彬;曹伟;蒋智宁【作者单位】上海贝尔股份有限公司,上海,200070;上海贝尔股份有限公司,上海,200070;上海贝尔股份有限公司,上海,200070;上海贝尔股份有限公司,上海,200070【正文语种】中文【中图分类】TN929.51 引言作为由我国自主提出的第三代移动通信(3G)标准TD-SCDMA的演进标准， TD-LTE的标准化和面向未来商用的系统试验工作，近年来在无线通信领域内受到了极大的关注[1-2]。
目前，TD-LTE系统外场大规模组网试验即将展开。
出于TD-LTE 系统与TD-SCDMA系统共天线共站址以尽可能降低网络演进成本的考虑，下行链路8发2收的TD-LTE系统已被确定为是一种主流的用于室外覆盖的TD-LTE系统形式[2]。
TD-LTE系统和TD-SCDMA系统同属时分双工(TDD)系统范畴，相对频分双工(FDD)系统具有天然的上下行信道互易性的特点，更便于采用“波束赋形”(或“智能天线”)技术[3-4]，用以提高系统下行的传输性能。
作为TD-SCDMA系统中的一项特色技术，波束赋形技术能否在TD-LTE系统中进一步地成功演进，并用于实际的网络部署中，提高TD-LTE系统下行传输的系统性能，是TD-LTE系统建设中一项极受关注的热点课题[2]。
一种新的基于正交波束成型的用户反馈和选择方案
一种新的基于正交波束成型的用户反馈和选择方案
史林;邱玲;孙栋
【期刊名称】《系统工程与电子技术》
【年(卷),期】2010(032)012
【摘要】在采用有限反馈的下行多天线多用户系统中,提出一种新的基于正交波束成型的用户反馈和选择方案.根据该正交波束成型方法的特点,推导出信道质量信息(channel quality information,CQI)的表达式,给出相应的反馈策略和用户选择方法.仿真结果表明,在实际系统中激活用户数比较少时,该方案的性能优于基于迫零波束成型(zero-forcing beamforming,ZFBF)有限反馈用户选择方案,为多天线多用户系统的应用提供了更好的参考.
【总页数】4页(P2520-2523)
【作者】史林;邱玲;孙栋
【作者单位】军械工程学院光学与电子工程系,河北,石家庄,050003;中国科学技术大学个人通信与扩频实验室,安徽,合肥,230027;中国科学技术大学个人通信与扩频实验室,安徽,合肥,230027;中国科学技术大学个人通信与扩频实验室,安徽,合肥,230027
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.5
【相关文献】
1.波束空时分组码系统中一种基于ICA的正交检测方案 [J], 刘琚;谷波;许宏吉
2.一种新的特征空间鲁棒波束成型算法 [J], 施展;冯正和
3.一种低复杂度非满秩正交随机波束成型传输方法 [J], 王德胜;郑志凯;刘应状;朱光喜;林宏志
4.一种无线认知网络中的自适应波束成型模式选择算法 [J], 陈晓明;张朝阳
5.基于正交随机波束成型的多用户多波束选择策略 [J], 韩锋;刘应状;朱光喜;孙俊因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
无线通信中基于线性预测和参数反馈的下行波束形成方法
无线通信中基于线性预测和参数反馈的下行波束形成方法傅永生;沈连丰;刘彤
【期刊名称】《电路与系统学报》
【年(卷),期】2004(009)003
【摘要】本文基于最大信号噪声比准则(MSNR,Maximum Signal Noise Ratio)提出一种新的下行波束形成方法,即根据天线收发的互易性原理,通过上行波束形成得到的上行天线阵列矢量,变换而得到下行天线阵列矢量,再通过移动端Rake接收机的合作,反馈回每一径的衰落系数,考虑到存在传输和处理时延并且在此时间内信道有明显变化时,反馈的衰落系数存在误差.因此,本文采用了信道预测的方法,估计即时衰落系数,这样求得期望信号的相关矩阵,计算相应的最大广义特征值所对应的特征矢量,进行下行波束形成.
【总页数】5页(P132-136)
【作者】傅永生;沈连丰;刘彤
【作者单位】东南大学,移动通信国家重点实验室,江苏,南京,210096;东南大学,移动通信国家重点实验室,江苏,南京,210096;东南大学,移动通信国家重点实验室,江苏,南京,210096
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.533
【相关文献】
1.基于多普勒信息的盲波束形成方法在声呐信号处理中的应用研究 [J], 李洪升;赵俊渭;陈华伟;王峰;郭业才
2.TD-SCDMA系统中基于上行参数的下行波束赋形算法 [J], 康绍莉;裘正定;李世鹤
3.基于DOA的智能天线下行波束形成方法 [J], 武震东;邹火儿
4.无线通信系统中基于QRD-GR的自适应波束形成算法与实现 [J], 孙洪民;李俊
5.移动场景中基于DQN的毫米波MISO系统下行链路波束成形 [J], 李中捷;吴园君;金闪;钟小辉
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阵列因子Array Factor：表征 远场辐射模型，记为 F ( , )
F(θ) w H α(θ) e j ( K 1)(0 ) sin[ K (0 ) / 2] sin[( K d / )(sin 0 sin )] sin[(0 ) / 2] sin[( d / )(sin 0 sin )]
0
时会获得期望信号的最大幅度增益
天线阵方向图
15天线均匀圆阵UCA，期望方向Az=45°，El=0°，理想情况 无互耦效应
天线阵方向图
信道互易性-互耦效应
信道互易性
假设上下行信道具有互易性，同时互耦矩阵满足对称性，
这样发方可以利用上行信道状态信息（ CSI ）通过波束成 形算法制定出下行的发送信息策略，同时又能避免互耦效 应带来的影响，在不增加反馈开销下达到最优的系统性能。
信道互易性
信道互易性
由移动端发往基站的上行信道可以表示为：
H UL
h11 h1 N h21 h2 N hN 1 hN N
u u t t
u
由于基站有很高的计算能力，所以经过信道估计之后可以 估计出上行信道。
信道互易性
信道互易性
在基站估计出来上行信道之后可以利用信道互易性得到下 行信道：
研究拓展
研究拓展
智能天线的阵列处理一般假设不存在互耦效应作为前提。 而在实际情况下互耦效应给阵列处理带来的影响又是不可 忽视的。 我国自主知识产权的标注TD-SCDMA虽然采用TDD作为双
工方式，可以有效利用TDD系统中的信号互易性来提高系
统容量，但是TDD系统发展不够成熟，针对互易性国内外 研究较少。
信道互易性 信道互易性是TDD系统的一大特色
1、功率控制要求降低。
可以用比较简单和占用资源较少的开环功率控制，同时功率控制周期也可 以增大。
2、利用传输预处理技术降低移动终端的处理复 杂性。 3、利于采用智能天线、发送分集等新技术改进 系统性能，同时可以采用简单的开环方式。
FDD系统必须要用复杂的闭环方案，同时性能也不如TDD中的开环方式好。
互耦效应
互耦效应
在智能天线的阵列天线中，无论是均匀线性阵ULA还是均
匀圆阵UCA，阵列中的阵元都会吸收阵列中其他阵元所辐 射出的信号，这样就产生了每个阵元的电流并不完全是由 激励源或者接收信号电场引起的问题，这就是互耦效应带 来的影响。
互耦效应 互耦效应的表征：互耦矩阵（一般认为是对称阵）
yUL (n) CHUL pUL (n) NUL
谢谢！
T yDL (n) = HUL CWsDL (n) + N DL = (CHUL )T WsDL (n) + N DL
令 He = CHUL
等效的信道效应仍然具有互易性，从而可以利用上行信道
接收端通过导频序列估计出系统等效上行信道响应，然后 基于信道互易性估计出系统等效下行信道响应。最后基于 等效下行信道响应进行波束赋形算法的计算，实现波束成 形技术。
3G网络（3rd-generation）
TD-SCDMA
TD-SCDMA由于采用时分双工，在一定的相干时间内，同 一个频带上的上行和下行信道特性基本一致，称作信道互 易性。因此，基站根据接收信号估计上行并转置得到下行 信道特性比较容易。 基站得到了下行信道信息之后可以根据波束赋形算法进行 预编码。 经过波束赋形后可以“跟踪”终端方位，并且可以“定向” 发送信号，可以提高基站接收的灵敏度，降低上下行的干 扰，因为降低了上下行的干扰，因此有助于提升系统的容 量。
基于信道互易性的波束成形
姓名： 臧广达
3G网络（3rd-generation）
联通的WCDMA
电信的CDMA2000
移动的TD-SCDMA“中国标准”
被ITU批准的3G标准。 Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access。 频谱利用率、频率灵活性、对业务支持具有多样性及成本 等方面有独特优势。 起步较晚，技术不够成熟。 TD系统有一个特点：存在信道互易性。
H DL = H
T UL
上行信道矩阵与下行信道矩阵互为转置。
智能天线
智能天线
原名取自应用于雷达、声纳、军事方面完成空间滤波与定 位功能的自适应天线阵列，由天线阵列、波束成形网络以 及波束成形算法三部分构成。 用于更高效的利用无线频谱，提高系统容量。
利用天线阵列算法DOA（Direction of Arrival）能估计出信
号到达方向，从而带来很多的应用方向。
智能天线
智能天线用了先进的 技术，把无线电的信号 导向具体的方向，使无 线电频谱的利用和信号 的传输更为有效。
天线阵模型
均匀圆阵模型
均匀线阵模型
天线阵模型
Text
均匀线阵 ULA
Text
均匀圆阵 UCA
波束成形技术
波束成形技术
K 1 k 0
以均匀线阵为例