適用於多輸入多輸出混合式波束合成正交多頻分工系統之階層式時空波束搜尋之設計與硬體實作

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潘柏翔(Po-Hsiang Pan) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

適用於多輸入多輸出混合式波束合成正交多頻分工系統之階層式時空波束搜尋之設計與硬體實作
(Design and Implementation of Hierarchical Space-Time Beam Search in Hybrid- Beamforming MIMO-OFDM Systems)

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摘要(中)

操作於在毫米波(Millimeter wave, mmWave)頻段的多輸入多輸出混合式波束合成系統可透過波束增益強化系統效能，但是系統的效能與波束合成產生的增益大小密切相關，所以波束的訓練以及波束搜尋對於建立良好的通訊連接就會顯得相當重要。在本篇論文中，系統所使用的通道環境是根據Millimeter-Wave Evolution for Backhaul and Access(MiWEBA)所建置的校園通道模型，並且我們採用階層的波束搜尋(hierarchical beam search)技術套用在寬頻的通訊系統中。首先，會先使用頂層的階層碼簿進行封包偵測(packet detection)，主要是透過頂層的階層碼簿其涵蓋的範圍可以達到全向性偵測的效果。當偵測到封包後，我們會切換至較低的階層碼簿並透過輸入的虛擬隨機(Pseudo-Random, PN)序列其良好的自相關特性(auto correlation)再來做進一步的波束搜尋與調整，最終在整體的效能以及搜尋的演算法中取得良好的平衡。我們所使用的在空間與時間的波束搜尋演算法，用於區分每個路徑的接收角度(Angle of arrival, AoA)、發送角(Angle of departure, AoD)以及路徑延遲。根據演算法完成硬體的實現，並透過硬體共享的方式來節省硬體的成本，最終以40奈米製程進行合成並操作於200 MHz的情況下，合成的面積為157856〖μm〗^2並總共花費5445個時脈下完成波束搜尋當中透過共享占整體面積較大的相關器以及能量計算器的部分可以幫我們省去31%的硬體資源，並且在透過使用階層式碼簿的情況下節省了50%以上的運作時間。

摘要(英)

Millimeter wave (mmWave) multiple-input and multiple-output (MIMO) hybrid-beamforming systems are essential for recent wireless communications. However, the system performance relies heavily on beamforming gain. Thus beam training and beam search are critical to establish the communication link. In this paper, the campus channel model in WiWEBA is adopted. A hierarchical beam search algorithm is designed and implemented for wideband communication systems. In the beginning, multiple beams in the top level of a hierarchical codebook with coverage approaching omni-directional radiation pattern are used for packet detection. Then, PN-sequence is transmitted and the beam patterns in lower levels are utilized for further refinement to strike a good balance for performance and search complexity. A space-time beam search scheme is employed to distinguish the angle-of-arrival (AoA), angle-of-departure (AoD) and delay of each path. The corresponding hardware is also implemented. The hardware sharing technique is used to reduce the hardware cost. Finally, the hardware of space-time beam search is designed and verified in 40 nm CMOS technology. The area is about 157856 μm^2 while it takes about 5445 clock cycles for beam search at 200MHz clock frequency.

關鍵字(中)

★ 波束搜尋
★ hybrid beamforming
★ wideband

關鍵字(英)

★ beam search
★ 混合式波束合成
★ 寬頻

論文目次

摘要----i
Abstract--------ii
表目錄---v
圖目錄---vii
第一章緒論----1
1.1 研究動機----1
1.2 研究方法----1
1.3 論文組織----3
第二章通道模型--------4
2.1 混合式波束合成架構(Hybrid Beamforming System Model)-4
2.1.1 均勻線性陣列(Uniform Linear Antenna Array, ULA)---5
2.2 5G通道模型介紹-----6
2.2.1 通道環境--6
2.2.2 內部群集(Inter-cluster)---8
2.2.3 外部群集(Intra-cluster)---11
2.2.4 通道模型建置(Channel Model)-------13
2.2.5 通道分數延遲內插器--------28
第三章時空波束搜尋----30
3.1 碼簿介紹----30
3.1.1 離散傅立葉碼簿(Discrete Fourier Transform (DFT) Codebook)--31
3.1.2 階層碼簿(Hierarchical Codebook)---33
3.2 系統架構----36
3.2.1 虛擬隨機序列自相關特性----37
3.2.2 波束切換(Beam Switch)-----39
3.2.3 訊框格式(Frame Structure)-40
3.3 封包偵測(Packet Detection)--44
3.3.1 加成性高斯白雜訊(Additive White Gaussian Noise)---45
3.3.2 能量疊加(Peak Summation)--46
3.3.3 訊號偵測(Signal Detection)--------49
3.3.4 邊界偵測(Boundary Detection)------51
3.4 粗略波束搜尋(Coarse Beam Search)----55
3.5 精細波束搜尋(Fine Beam Search)------60
3.5.1 問題闡述--63
3.5.2 空間循序比較------65
3.5.3 時空搜尋--67
3.5.4 路徑搜尋--71
3.5.5 刪除以及補償------73
3.6 波束搜尋的模擬分析--76
第四章波束搜尋硬體設計--------79
4.1 相關器以及能量計算器--------79
4.2 封包偵測硬體架構----80
4.2.1 訊號偵測硬體架構--82
4.2.2 邊界偵測硬體架構--84
4.3 粗略波束搜尋硬體架構--------86
4.4 精細波束搜尋硬體架構--------87
4.5 波束搜尋硬體整合及模擬分析--93
第五章結論----101
參考資料--------103

參考文獻

[1] S. Sun, T. S. Rappaport, R. W. Heath, A. Nix, and S. Rangan, “Mimo for millimeter-wave wireless communications: beamforming, spatial multiplexing, or both?" IEEE Communications Magazine, vol. 52, no. 12, pp. 110-121, 2014.
[2] Zhenyu Xiao, Hang Dong, Lin Bai, Pengfei Xia, Xiang-Gen Xia “Enhanced Channel Estimation and Codebook Design for Millimeter-Wave Communication, ” IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2018, doi: 10.1109/TVT.2018.2854369.
[3]“MiWEBA (Millimeter-wave Evolution for Backhaul and Access) Channel Model-ing and Characterization, vol. FP7-ICT-608637 EU Contract, 2014”.
[4] Chun-Chuan Tsai ,“Time-Domain Channel Estimation Based on Zadoff- Chu Sequence for Hybrid Beamforming Systems,” National Central University Master’s Thesis, 2021
[5] J. Pan W. J. Tompkins, “A Real-Time QRS Detection Algorithm,” IEEE Transactions on Biomedical Engineering. BME-32 (3): 230-236
[6] P. Tsai, Z. Chang, Z. Huang and W. Jau, “"Design and evaluation of a 4×4 MIMO-OFDM transceiver for gigabit indoor wireless communications," 2010 IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems, 2010, pp. 955-958, doi: 10.1109/APCCAS.2010.5774939.”.
[7] Chun-Yu Chen, "Hybrid-Precoding-Based MIMO Filtered-OFDM Processor with Carrier Frequency Offset Synchronization for Millimeter Wave Systems," Master’s thesis, National Tsing Hua University, Taiwan, 2023.
[8] S. Noh, M. D. Zoltowski and D. J. Love, "Multi-Resolution Codebook and Adaptive Beamforming Sequence Design for Millimeter Wave Beam Alignment," in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 16, no. 9, pp. 5689-5701, Sept. 2017, doi: 10.1109/TWC.2017.2713357.

指導教授

蔡佩芸(Pei-Yun Tsai)

審核日期

2023-8-11

推文