【摘 要】
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太赫兹通信技术凭借超大带宽的优势有望成为未来6G（Sixth Generation）的关键技术之一。超大规模天线技术可以提供巨大的空间分集,提升频谱效率,同样有望在6G无线通信系统中起到关键作用。在基于移相器的超大规模多输入多输出（Ultra-Massive Multiple InputMultiple Output,UM-MIMO）混合预编码中,由于太赫兹频段的超大带宽,不同频率的子载波信道具有
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太赫兹通信技术凭借超大带宽的优势有望成为未来6G（Sixth Generation）的关键技术之一。超大规模天线技术可以提供巨大的空间分集,提升频谱效率,同样有望在6G无线通信系统中起到关键作用。在基于移相器的超大规模多输入多输出（Ultra-Massive Multiple InputMultiple Output,UM-MIMO）混合预编码中,由于太赫兹频段的超大带宽,不同频率的子载波信道具有不同的等效空间方向。由于移相器产生的相位与频率无关,发射端波束成形时,将产生严重的波束斜视效应。波束斜视效应导致天线的阵列增益受到限制,进而影响系统的整体数据传输速率。因此针对波束斜视效应的混合预编码设计成为太赫兹通信的研究热点。本文从改进混合预编码的结构出发,提出了两种太赫兹UM-MIMO系统中的混合预编码方案来消除波束斜视效应造成的性能损失,分别是基于两层移相器的混合预编码方案与基于固定时延相位模块的混合预编码方案。本文主要贡献如下:（1）本文首先分析了波束斜视现象的产生原因以及影响因素。之后针对这一现象,本文提出了一种基于两层移相器的混合预编码的设计。利用三维（Three Dimension,3D）MIMO的平面天线阵列,将维度较高的均匀线性天线阵列转向向量转化为两个维度较低的天线转向向量的Kronecker积的形式,降低波束斜视带来的阵列增益损失。之后,为进一步改善太赫兹频段超大带宽引起的波束斜视,在3D MIMO系统的基础上,本文提出了基于两层移相器结构的混合预编码方案。其中,第一层移相器用于频率无关的波束成形,第二层移相器用于不同频率子载波的波束相位补偿。仿真结果表明本文提出的方案可以实现接近最优的阵列增益,获得较高的系统和速率性能。（2）针对波束斜视效应,本文提出利用一种全新的固定时延相位模块来代替移相器作为模拟预编码的硬件设备,设计出一种全连接结构的混合预编码方案。在固定时延相位模块中,由于其能提供的时延是固定的,在提供频率相关的相移的同时能够有效降低硬件成本与能量消耗,以较低的代价消除波束斜视的影响。本文利用时延选择网络为发射天线选择相位最接近的固定时延相位模块,从而提升天线的阵列增益,实现高系统性能。仿真结果表明,本文方案具有接近全数字预编码的性能。
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