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面向移动覆盖的太赫兹大规模多入多出传输技术研究
作 者：谭竞搏
指导教师：戴凌龙
培养院系：电子工程系
学 科：信息与通信工程
读博感言：快乐科研，快乐生活
太赫兹通信可提供数十倍于毫米波通信的带宽，从而支持超高速率传输，被认为是未来第六代移动通信的重要候选技术之一。但太赫兹信号面临严重的路径损耗，难以支持室外热点移动覆盖。因此，能够生成高增益窄波束的大规模多入多出（massive MIMO）技术被认为具有应用于太赫兹通信的潜力。太赫兹大规模MIMO被认为是第六代移动通信的关键技术之一。然而，太赫兹大规模MIMO因大带宽和高天线数面临严重的波束分裂问题。波束分裂导致太赫兹大规模MIMO系统难以生成高增益波束，部分子载波上波束增益损失超过80%，从而使得系统的移动覆盖能力显著降低。为此，本文围绕如何解决太赫兹大规模MIMO系统的波束分裂问题展开研究。
首先，本文指出了太赫兹大规模MIMO系统中的波束分裂问题，证实了太赫兹大规模MIMO的大带宽和高天线数将导致严重的波束分裂。
之后，针对波束分裂使得太赫兹大规模 MIMO波束赋形损失大的问题，提出在传统模数混合预编码架构中引入少量延时模块的延时相移双重调控架构，利用延时模块引入的频率选择性相移，基于证明的波束分裂补偿机理，可以消除波束分裂造成的性能损失，较现有方法提升可达速率性能约50%。
然后，针对波束分裂导致估计精度降低的问题，提出基于波束分裂模式匹配的宽带信道估计方法。定义波束分裂模式，证明了波束分裂模式与信道物理角度的一一对应关系，并利用波束分裂模式估计路径角度和稀疏支撑集，提升估计精度约5dB。
最后，针对波束分裂导致传统方法失效的问题，提出基于波束柔性分裂的波束追踪方法。利用延时相移调控架构，证明了能灵活调控波束分裂程度的柔性分裂机理，提出同时生成多个波束同时追踪多个物理角度，降低追踪开销约90%。
1. 定量分析了太赫兹大规模MIMO系统波束分裂现象的机理及阵列增益损失；
2. 针对波束分裂现象导致太赫兹大规模MIMO波束赋形阵列增益低的挑战，提出了基于延时相移双重调控的预编码架构，可提高波束赋形性能；
3. 针对波束分裂导致太赫兹大规模MIMO信道估计精度下降的问题，提出了一种基于波束分裂模式匹配的宽带信道估计方法，可有效提升信道估计精度；
4. 针对太赫兹大规模MIMO系统波束追踪开销过大的问题，提出了一种利用波束分裂现象的基于波束柔性分裂的波束追踪方法，可降低波束追踪开销。
[1] Tan J, Dai L. Wideband Beam Tracking in THz Massive MIMO Systems[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2021, 39(6): 1693-1710.
[2] Tan J, Dai L. Wideband Channel Estimation for THz Massive MIMO[J]. China Communications, 2021, 18(5): 66-80.(invited paper).
[3] Tan J, Dai L. THz Precoding for 6G: Challenges, Solutions, and Opportunities[J]. IEEE Wireless Communications, 2022: 1-7.
[4] Dai L, Tan J, Chen Z, Poor V. DelayPhase Precoding for Wideband THz Massive MIMO[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2022: 1-16.
何为优博微展？
优博微展是清华大学应届优秀博士毕业生论文精华的呈现，由清华大学研究生院联合各院系收集并发布，旨在对我校博士研究生的阶段性学术成果和在校时期科研成绩进行简要、集中展示。
作者、图片：谭竞搏
组稿、校阅：楚若冰
统筹：研究生院培养办
编辑与设计：研究生院综合办