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为了满足井喷式增长的无线通信数据传输需求,开发毫米波(Millimeter Wave,mmWave)频段的频谱将成为解决低传输速率和有限频谱资源瓶颈的有效途径。目前,毫米波多输入多输出(Multiple-input Multiple-output,MIMO)系统已经成为了学术界和业界关注焦点。一方面,它能同时满足更宽传输带宽和更高频谱效率的需求。但另一方面,为了克服毫米波频段严重的传播损耗,毫米波MIMO系统需要采用定向多波束技术进行信号传输。这一举措使得控制层流程变得更加复杂,可能导致传统的全向传输小区接入方案失败,所以需要重新设计毫米波MIMO系统的接入方案。本文只讨论毫米波MIMO系统初始接入中的小区搜索过程。毫米波通信中波束传输高指向特性不可避免带来了覆盖和时延两个挑战。为了克服传统毫米波MIMO系统初始接入存在的低覆盖和高训练开销的难题,本文提出了基于带外信息的毫米波MIMO系统小区接入方案。这个方案是采用Sub-6GHz系统和毫米波MIMO系统组成的异构网络模型,研究内容可以分为两个部分。第一部分,小区搜索问题。根据毫米波信道特点,将基站(Base Station,BS)检测的问题表示为假设检验问题(Hypothesis Testing Problem,HTP),然后提出使用广义似然比检验(Test of Generalized Likelihood Ratio,GLRT)检测器解决。第二部分,多波束搜索过程。先利用Sub-6GHz系统中全小区覆盖的广播信息,快速的确定用户终端(User Equipment,UE)的大致范围。毫米波再基于已知范围进行波束空间扫描,使得BS和UE的波束对齐。仿真结果的分析表明该方案能够降低系统开销,且能够提高接入概率。为了进一步提高毫米波系统的用户接入概率,可以通过提高到达角(Angle of Arrival,AoA)和离开角(Angle of Departure,AoD)的估计精度的方法实现,因此,本文提出了基于带外信息的波束赋形设计方案。该方案主要是根据低频段提供的带外信息作为初始的波束赋形向量的角度范围,通过采用最大似然估计准则,最小化AoA和AoD的克拉美罗下界(Cramer Rao Lower Bound,CRLB)和求解凸优化问题,得出具有最佳估计精度波束赋形向量。仿真结果表明与传统波束赋形设计方案相比,该方案的估计精度、波束增益和系统容量均有显著提高。