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华中科技大学硕士学位论文
摘要
多种多样的移动互联网应用亟需5G网络不断提升容量,波束成形技术通过定
向传输和空间分集可有效提升5G通信系统的容量。其中,混合波束成形可有效平
衡系统性能与硬件开销,在以毫米波和大规模多输入多输出为核心技术的5G通信
领域获得越来越广泛的应用。对混合波束成形系统进一步优化能效,有助于在实际
工程应用中充分发挥混合波束成形的优势。本文基于5G的信道状态信息(Channel
StateInformation,CSI)测量标准,研究混合波束成形架构的能效优化问题。
针对高容量低成本的实际5G毫米波基站工程应用需求,本文提出一种基于动
态端口映射的混合波束成形架构,该架构可根据信道状态信息实时调整激活的端口
个数和子阵列的形成方式,旨在尽量保持网络容量良好下有效提升5G基站能效。本
文面向典型单用户多输入多输出场景,对动态端口映射架构构建系统模型,推导最
佳端口映射方式与信道协方差矩阵之间的定量关系。本文基于CSI测量规范,设计
并实现以动态端口映射架构为核心的波束管理系统。
强化学习通过与环境交互来理解信道环境,基于深度Q网络(DeepQNetwork,
DQN),本文提出一种端口映射策略优化算法,应用DQN通过波束能量矩阵和CSI
反馈决策端口映射方式,调整奖励系数以权衡频谱效率或能量效率。本文设计多种
DQN的仿真实验,评估不同训练参数和奖励系数对系统性能的影响。仿真结果表明,
基于DQN算法优化的动态端口映射架构能够大幅度提升能量效率。相较于动态子阵
列架构和动态RF链路架构,能够分别在3.3%和5%的频谱效率损失下,达到15%
和25%的能量效率增益。本文提出的混合波束成形架构有效使能动态端口映射,有
助于优化混合波束成形架构的能效,有望显著降低5G网络通信成本。
此外,本文设计并实现一个交互式可视化波束分析工具,可直观地辅助分析信
道和混合波束的特性。该可视化波束分析工具具有直观的显示效果与交互功能,能
够支持不同的天线面板和波束分析功能,进而为实际工程应用中的波束分析和系统
设计提供有价值的参考。
关键词:毫米波大规模MIMO;波束管理;混合波束成形;强化学习
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
AnincreasingnumberofmobileInternetapplicationsurgentlyrequirethecontinuously
increasingthecapacityof5Gnetworks.Beamformingcaneffectivelyincreasethecapacity
of5Gcommunicationsystemsthroughdirectionaltransmissionandspatialdiversity.Hy
bridbeamformingiscapableofeffectivelybalancingsystemperformancewithhardware
overhead,gainingwidespreadapplicationinthe5Gcommunications,whichisbuiltonthe
mmWavesystemsandmassivemultipleinputmultipleoutputsystemarchitectures.Itis
crucialtooptimizetheenergyefficiencyofhybridbeamformingsystems,whichhelpsto
fullyexploittheadvantagesofhybridbeamformingin5Gengineeringpractices.Inthis
thesis,weinvestigatetheenergyefficiencyoptimizationproblemsofhybridbeamforming
architecturesbasedontheChannelState
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