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研究生:陳逸
研究生(外文):CHEN, YI
論文名稱:毫米波系統下使用碼本為基礎的混合式預編碼設計
論文名稱(外文):Hybrid Precoding Design Using Codebook Based Methods for Millimeter Wave Systems
指導教授:邱茂清邱茂清引用關係
指導教授(外文):CHIU, MAO-CHING
口試委員:邱茂清陳喬恩王忠炫
口試委員(外文):CHIU, MAO-CHINGCHEN, CHIAO-ENWANG, CHUNG-HSUAN
口試日期:2020-07-17
學位類別:碩士
校院名稱:國立中正大學
系所名稱:通訊工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2020
畢業學年度:108
語文別:中文
論文頁數:41
中文關鍵詞:MIMO混合預編碼AOD毫米波系統碼本
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現在世界正慢慢進入5G通訊的時代,與此同時其所需要的各種技術也變得更為重要。因此本論文將重點放在5G技術中的多輸入多輸出(Multi-input Multi-output;MIMO)系統中的預編碼(Precoding)設計,並使用基於碼本(Codebook Based)的方式來傳送通道狀態資訊(Channel State Information;CSI)。因為當我們在做預編碼時,必須利用通道狀態資訊來取得預編碼器(Precoder),但在傳送資訊的時候只有接收端會知道通道狀態資訊,所以通常會由傳送端傳送一個雙方都知道的訊號(引示信號Pilot Signal),藉此讓接收端能估測出通道狀態資訊並回傳來做預編碼。但在MIMO系統下通道矩陣會由於天線數量變得非常巨大,所以要將整個通道資訊回傳是不切實際的,這時使用基於碼本的方式可以讓我們在維持一定效能下大幅減少回傳的資訊量。
預編碼器分成兩種:數位預編碼器(Digital Precoder)以及類比預編碼器(Analog Precoder)。兩者最大的不同在於類比預編碼器只能調整訊號的相位,但數位預編碼器不只能改變訊號的相位,同時還能對訊號的大小做調整。也因此類比預編碼器在硬體上成本、複雜度較低,但在效能上也同樣不如數位預編碼器。
本論文使用的是混合式預編碼(Hybrid Precoding)的方式,也就是說我們同時使用了數位預編碼器以及類比預編碼器,雖然在效能上會比全數位預編碼(Full-Digital Precoding)差一些,但能大幅降低硬體上的成本以及複雜度。在本論文中我們有兩種混合預編碼的方式:第一種方法是利用Lloyd-Type演算法造出一本數位碼本與一本類比碼本[1];第二種方法則是接收端傳送AOD(Angle of Departure)給傳送端,傳送端再利用AOD推導出所需的類比預編碼器,數位部分則一樣使用數位碼本[2]。本論文探討不同選擇方式所造成的複雜度與效能差異,讓使用者能根據情況不同使用合適的選擇方法。

Countries all over the world are going to develop 5G technologies, things are in connection to 5G become even more essential. In this paper, we focus on the precoding design for MIMO systems, and transmit CSI in codebook based way. The transmitter needs CSI to get the precoder, but only the receiver knows CSI when we are communicating. That’s why we need to use signals that both the transmitter and the receiver already knew. After that, the receiver can estimate CSI and feedbacks to the transmitter to do precoding. It’s not practical to transmit the entire CSI, so we use codebook to reduce feedback information.
There are two kinds of precoders: analog precoders and digital precoders. The biggest difference between them is that analog precoder can only change signal’s phase, but digital preoder can change both signal’s phase and magnitude. Analog precoder has lower cost and complexity, but it also has lower performance than digital precoder. In this paper, we use hybrid precoding, which means there are not only digital precoder but also analog precoder. It may have worse performance than full-digital precoding, but it massively reduces hardware’s cost and complexity. We use two methods in this paper, the first method is using Lloyd-type algorithm to create a digital codebook and an analog codebook. The second one is using AOD to find analog precoder that we need, and we still use digital codebook in the part of digital. Users can choose their best option depend on their situation.

致謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 VII
第一章 緒論 1
1.1 簡介 1
1.2 研究動機 2
1.3 論文架構 2
1.4 符號定義 3
第二章 通道模型與系統模型 4
2.1 通道模型 4
2.2 系統模型 5
第三章 問題闡述與相關研究 7
3.1 問題闡述 7
3.2 全數位波束成形 7
3.3 混合式波束成形 8
第四章 混合預編碼器使用雙碼本之設計 12
4.1 類比碼本設計 12
4.2 數位碼本設計 13
4.3 選擇方式 14
第五章 混合預編碼器使用出發角度和碼本之設計 17
5.1 簡化SS演算法 17
5.2 選擇方法 18
第六章 模擬結果 22
結論 40
參考文獻 41
[1]Bo-Yian Peng, “Hybrid precoding double codebook design for millimeter wave system”
[2] T. H. Tsai, M. C. Chiu, C. C. Chao, “Sub-system SVD hybrid beamforming design for millimeter wave multi-carrier systems,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 18, no. 1, pp. 518-531, Jan. 2019.
[3] R. W. Heath, Jr., N. Gonzalez-Prelcic, S. Rangan, W. Roh, and A, M. Sayeed, “An overview of signal processing techniques for millimeter wavw MIMO systems,” IEEE J. Sel. Topics Signal Process., vol. 10, no. 3, pp. 436-453, Apr. 2016.
[4] M. Iwanow, N. Vucic, M. H. Castaneda, J. Luo,W. Xu, and W. Utschick, “Some aspects on hybrid wideband transceiver design for mmWave communication systems,” in Proc. Int. ITG Workshop Smart Antennas, Munich, Germany, Mar. 2016, pp. 1-8.
[5] B. N. Bharath and C.R. Murthy, “Channel training signal design for reciprocal multiple antenna systems with beamforming,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 62, no. 1, pp.140-151, Jan. 2013.
[6] S.Lloyd, “Least squares quantization in PCM,” IEEE Trans. Inf. Theory., vol. 28, no. 2, pp.129-137, Mar. 1982.
[7] E. Torkildson, B. Ananthasubramaniam, U. Madhow, and M. Rodwell, “Millimeter-wave MIMO: Wireless links at optimal speeds,” in Proc. 44th Allerton Conf. Commun., Control Comput., Monticello, IL, USA, pp. 1-9, Sep. 2006.
[8] J. N. Murdock, E. Ben-Dor, Y. Qiao, J. I. Tamir, and T. S. Rappaport, “A 38 GHz cellular outage study for an urban outdoor campus environment” IEEE WCNC, Apr. 2012.
[9] O. El Ayach, S. Rajagopal, S. Abu-Surra, Z. Pi, and R. W. Heath, Jr., “Spatially sparse precoding in millimeter wave MIMO systems,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 13, no. 3, pp. 1499-1513, Mar. 2014.
[10] F. Sohrabi and W. Yu, “Hybrid digital and analog beamforming design for large-scale antenna arrays,” IEEE J. Sel. Topics Signal Process., vol. 10, no. 3, pp. 501-513, Apr. 2016.


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