摘要
毫米波通信可以提供低延时、高速率的数据业务，成为未来移动通信重要候选技术。为了补偿巨大的路径损耗，毫米波通信系统通常利用大维的天线阵列形成高增益的窄波束。然而窄波束覆盖范围有限，需通过波束对准和波束跟踪技术建立或者维持通信链路，因此高效的波束对准和波束跟踪技术具有重要的研究价值，本文主要研究毫米波大规模多输入多输出（Multiple-inputMultiple-output,MIMO）通信系统的波束对准和波束跟踪技术，具体如下。 首先研究了辅助波束对（AuxiliaryBeamPair,ABP），分别针对单用户和多用户场景提出了一种基于ABP的波束跟踪算法。在单用户场景下提出了一种基于波束复用的波束跟踪算法，不同于现有的基于ABP的波束跟踪算法，该算法在波束跟踪阶段将通信波束复用为一个辅助波束，基站只需额外产生一个辅助波束，从而降低了波束开销；通过采用专用的射频链路形成辅助波束，可以在不中断通信的情况下完成波束跟踪。多用户场景下，为同时跟踪多个用户，本文引入了多主瓣辅助波束，多主瓣辅助波束的每一个主瓣可作为一个用户的辅助波束，可实现多用户的同时跟踪。仿真结果表明，单用户场景下基于波束复用的跟踪算法在性能逼近基于ABP跟踪算法的前提下，能有效降低约25%的波束开销。多用户场景下基于ABP的跟踪算法无法实现多用户同时跟踪，只能通过时分复用实现多个用户的依次波束跟踪，而多主瓣辅助波束可实现多用户同时跟踪，仿真结果表明，多用户场景下多主瓣辅助波束跟踪算法相比于基于ABP波束跟踪算法在可达速率几乎不变的情况下显著降低了波束开销。 本文还研究了一种基于ABP的扩展卡尔曼滤波（ExtendedKalmanFilter，EKF）跟踪算法。ABP功率和差比近似线性，适用于EKF跟踪算法，因此，可研究基于ABP的EKF跟踪算法，充分利用已有的观测值对用户角度进行跟踪。与现有的基于波束扫描的EKF跟踪算法相比，本文算法仅使用一个ABP，减少了波束开销，能有效降低观测矩阵维度及计算复杂度。仿真结果表明，基于ABP的EKF跟踪算法能有效跟踪用户的移动，相比于ABP算法具有更优的性能。
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