CN104601211B - 无线通信系统中能效多模混合波束成型的传输装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于无线通信系统中能效多模混合波束成型的传输装置及方法。提供了具有自适应传输波束成形能力的发射装置。在数字域，通过多空时流映射实现基带波束成形。在模拟域射频端，通过相位控制实现射频波束成形。通过数字域和模拟域混合波束成形多流传输可以提高无线数据传输速率。在多流情况下可同时进行数字域模拟域波束成形。在满流情况下，按传统方式空时流与射频链路一一对应进行传输；在不满流情况下，可关闭一部分射频链路，但仍可使用全部的相控发射天线阵列进行全域相控，节省了基带链路能量消耗的同时最大限度利用了阵列天线增益，进而实现能效节省和多模式兼容的优势。

Description

无线通信系统中能效多模混合波束成型的传输装置及方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种用于无线通信系统中能效多模混合波束成型的传输装置及方法。该传输方法和装置通过无线通信设备，兼容多种模式的波束成形传输，有效地提高了系统的鲁棒性，强健性。根据数据空时流数动态自适应调整发射机波束成形方案，节省了发射机功率消耗，并在最大程度上利用大规模天线阵列的增益。提供了进行自适应的传输波束成形的能力。
背景技术
信息化的高速发展，无线智能终端的大规模普及，以及迅猛增长的各类数据业务对包括移动数据通信和无线局域网在内的下一代无线通信系统的通信速率提出了更高的要求。千兆级(Gbps)比特速率的高速无线通信研究也已经成为学术界和工业界的热点。大规模MIMO技术、异构网络、能效通信和自组织网络等各项新技术已成为提高下一代无线通信系统速率的关键技术，也都是未来5G通信领域的重要研究方向。与此同时，由于丰富的免授权频谱资源及无线局域网技术受到广大移动用户的青睐的背景，毫米波频段成为了提供Gbps比特传输速率的新一代超高速无线局域的主要候选频段之一。
大规模MIMO技术即在基站端配置天线阵列可以进一步挖掘空间维度资源，显著的提高通信系统的频谱效率。对于集成了大规模天线阵列的收发系统，传统的数字基带处理，如预编码，需要大量的基带信号处理链路，在大规模MIMO系统中每个发送天线连接一个射频链路由于硬件成本过高而不可行。
最近，能效问题和绿色通信等问题越来越受到普遍的关注。解决通信的能效意义重大。一方面，高效率的通信系统可以减少电力的消耗，而目前电力资源主要来源是通过矿石燃料，另一方面，低功率消耗的传输方案意味着手机和平板电脑等便携式设备可以消耗更少的能量完成通信，这对于提高设备的续航能力，减少芯片发热，提高芯片的使用寿命具有重要的意义。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种无线通信系统中能效多模混合波束成型的传输装置及方法，根据空时流数动态自适应调整多种模式的发射机波束成形方案，节省了发射机功率消耗，并在最大程度上利用大规模天线阵列的增益。
技术方案：一种无线通信系统中能效多模混合波束成型的传输装置，包括发射机和接收机，发射机包括接收数据流的基带信号处理模块，射频链路模块，以及相控发射天线阵列；接收机具体包括发送数据流的基带信号处理模块，射频链路模块，以及相控发射天线阵列；所述基带信号处理模块与射频链路模块连接，射频链路模块与相控发射天线阵列连接；基带信号处理模块、射频链路模块和相控控制器之间存在控制链路；每个射频链路模块固定连接有相同数量的射频天线，每一射频天线均有一相移控制器。每个射频链路模块对应固定连接的相控器、射频天线组成相控发射阵列天线单元。与此同时，每个射频链路与其他相控发射阵列天线单元之间有可控的连接。射频链路数目与相控发射阵列天线单元数目相同，也与发射机支持的最大空时流数相同。
一种适用于上述无线通信系统中能效多模混合波束成型的传输装置的传输方法，具体发射方案如下：
兼容模式：当发射机不是按最大空时流数传输数据即不满流传送时，NData个数据流经过基带信号处理后，通过数字域波束成形转换成NSTS个空时流。由于发射的空时流数小于射频链路所能支持的最大空时流数，即NSTS＜NDA，NDA表示DA(Digital/Analogy)射频链路数。此时只需使用NSTS个DA射频链路，其余的(NDA-NSTS)个射频链路予以关闭，节省功率消耗。此时使用的NSTS个射频链路与其他未使用的(NDA-NSTS)个射频链路所对应的相控发射天线阵列的连接开关置为连接状态。具体连接配置原则如下：
对于每一射频链路来说，其能连接的相控发射天线阵列由剩余未使用的(NDA-NSTS)个射频链路对应的相控发射天线阵列平均分配给这NSTS个射频链路。当不能整除时，某些射频链路连接的相控发射天线阵列数量可能会比其他射频链路多一些或少一些；对于每一未使用的射频链路对应的相控发射天线阵列来说，其只能接受一个射频链路的控制。应保证任意数量空时流数NSTS发射时，NSTS个射频链路与未使用的(NDA-NSTS)个射频链路所对应的相控发射天线阵列之间的连接配置关系是唯一的，便于接收机确定以相同方案进行配置接收。下面提供一个具体连接配置方案，但本发明所指连接配置原则不局限于实施为此种连接配置方案。具体可以表述为：前(NSTS-1)个射频链路每个链路所连接的相控发射天线阵列数为个，第NSTS个射频链路所连接的相控发射天线阵列数为个，射频链路与相控发射天线阵列之间依次就近连接。
NSTS个射频链路与其所能连接控制的相控发射天线阵列组成一个新的相控发射单元，在新的相控发射单元上进行波束成形传输。这样，在不满流发射情况下，即减少了射频链路功耗，又充分地利用了所有的相控发射天线阵列。
传统模式：当发射机按最大空时流数传输数据即满流传输时，Ndata个数据流经过基带信号处理后，通过数字域波束成形转换成NSTS个空时流。每一空时流经过一路射频链路。此时最大空时流数即为射频链路个数，可记为NDA。每一空时流经一个射频链路后，由此射频链路对应的相控发射阵列天线单元进行发射。每一传输的空时流在相控发射天线阵列端完成波束成形发射。此种情况下，各射频链路与其他相控发射阵列天线单元之间的连接设为断开。此时就退化为传统发射模式。
接收方案原理相同，不再赘述。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：根据数据流数动态自适应调整发射机波束成形方案：在满流发射时按常规发射方案进行发射；在不满流发射时，关闭部分射频链路，节省了发射机功率消耗，并在此种情况下仍然使用了全部的相控发射天线阵列，在最大程度上利用大规模天线阵列的增益。提供了进行自适应的传输波束成形的能力。
附图说明
图1为本发明方法的总体流程框图；
图2为一种应用场景下本发明方法所对应的收发机框图；
图3为另一种应用场景下本发明方法所对应的收发机框图；
图4为4个数据流传输下8天线收发机具体配置框图；
图5为3个数据流传输下8天线收发机具体配置框图；
图6为2个数据流传输下8天线收发机具体配置框图；
图7为1个数据流传输下8天线收发机具体配置框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，无线通信系统中能效多模混合波束成型的传输装置，包括结构相同的发射机和接收机，发射机包括接收数据流的基带信号处理模块，射频链路模块，以及相控发射天线阵列；接收机具体包括发送数据流的基带信号处理模块，射频链路模块，以及相控发射天线阵列；所述基带信号处理模块与射频链路模块连接，射频链路模块与相控发射天线阵列连接；基带信号处理模块、射频链路模块和相控控制器之间存在控制链路；图2和图3更进一步的描述了收发机具体结构框图。每个射频链路模块固定连接有相同数量的射频天线，每一射频天线均有一相移控制器。每个射频链路模块对应固定连接的相控器、射频天线组成相控发射阵列天线单元。与此同时，每个射频链路与其他相控发射阵列天线单元之间有可控的连接。射频链路数目与相控发射阵列天线单元数目相同，也与发射机支持的最大空时流数相同。
适用于上述无线通信系统中能效多模混合波束成型的传输装置的传输方法，具体发射方案如下：
当发射机不是按最大空时流数传输数据即不满流传送时，具体如图3所示的框图示意，NData个数据流经过基带信号处理后，通过数字域波束成形转换成NSTS个空时流。由于发射的空时流数小于射频链路所能支持的最大空时流数，即NSTS＜NDA，NDA表示DA(Digital/Analogy)射频链路数。此时只需使用NSTS个DA射频链路，其余的(NDA-NSTS)个射频链路予以关闭，节省功率消耗。此时使用的NSTS个射频链路与其他未使用的(NDA-NSTS)个射频链路所对应的相控发射天线阵列的连接开关置为连接状态。具体连接配置原则如下：
对于每一射频链路来说，其能连接的相控发射天线阵列由剩余未使用的(NDA-NSTS)个射频链路对应的相控发射天线阵列平均分配给这NSTS个射频链路。当不能整除时，某些射频链路连接的相控发射天线阵列数量可能会比其他射频链路多一些或少一些；对于每一未使用的射频链路对应的相控发射天线阵列来说，其只能接受一个射频链路的控制。应保证任意数量空时流数NSTS发射时，NSTS个射频链路与未使用的(NDA-NSTS)个射频链路所对应的相控发射天线阵列之间的连接配置关系是唯一的，便于接收机确定以相同方案进行配置接收。下面提供一个具体连接配置方案，但本发明所指连接配置原则不局限于实施为此种连接配置方案。具体可以表述为：前(NSTS-1)个射频链路每个链路所连接的相控发射天线阵列数为个，第NSTS个射频链路所连接的相控发射天线阵列数为个，射频链路与相控发射天线阵列之间依次就近连接。
NSTS个射频链路与其所能连接控制的相控发射天线阵列组成一个新的相控发射单元，在新的相控发射单元上进行波束成形传输。这样，在不满流发射情况下，即减少了射频链路功耗，又充分地利用了所有的相控发射天线阵列。
当发射机按最大空时流数传输数据即满流传输时，具体如图2所示的框图示意，Ndata个数据流经过基带信号处理后，通过数字域波束成形转换成NSTS个空时流。每一空时流经过一路射频链路。此时最大空时流数即为射频链路个数，可记为NDA。每一空时流经一个射频链路后，由此射频链路对应的相控发射阵列天线单元进行发射。每一传输的空时流在相控发射天线阵列端完成波束成形发射。此种情况下，各射频链路与其他相控发射阵列天线单元之间的连接设为断开。此时就退化为传统发射模式。
下面以一拥有8根发射天线，4条射频链路的发射机、接收机模型来叙述本发明方法，每一射频链路对应的相控发射天线阵列的天线数为2。此时系统最大的数据流数为4。具体实施如下：
兼容模式：当发射机不是按最大空时流数传输数据即不满流传送时，数据流经过基带信号处理后，通过数字域波束成形转成空时流。由于发射的空时流数小于最大流数，也即小于射频链路数。设此时的空时流数为NSTS，其中NSTS＜4。此时只需使用NSTS个射频链路，其余的(4-NSTS)个射频链路予以关闭，节省功率消耗。
将NSTS个空时流经由NSTS个射频链路发射。此时使用的NSTS个射频链路与其他未使用的(4-NSTS)个射频链路所对应的相控发射天线阵列的连接为打开。具体连接方式如下：
对于每一射频链路来说，其能连接的相控发射天线阵列由剩余未使用的(4-NSTS)个射频链路对应的相控发射天线阵列平均分配给这NSTS个射频链路。当不能整除时，某些射频链路连接的相控发射天线阵列数量可能会比其他射频链路多一些或少一些；对于每一未使用的射频链路对应的相控发射天线阵列来说，其只能接受一个射频链路的控制。应保证任一数据流数发射时，NSTS个射频链路与未使用的(4-NSTS)个射频链路所对应的相控发射天线阵列之间的连接配置关系是唯一的，便于接收机确定以相同方案进行配置接收。
在本具体实施里，不妨可按如下方案进行分配：
当NSTS＝3时，使用3条射频链路，第一条射频链路连接控制两个相控发射天线阵列，其余射频链路连接控制一个相控发射天线阵列，具体如图5所示框图示意。
当NSTS＝2时，使用2条射频链路，两条射频链路均连接控制两个相控发射天线阵列，具体如图6所示框图示意。
当NSTS＝1时，使用1条射频链路，此条射频链路连接控制所有四个相控发射天线阵列，具体如图7所示框图示意。
NSTS个射频链路与其所能连接控制的相控发射天线阵列组成一个新的相控发射单元，在整个相控发射单元上进行波束成形传输。这样，在不满流发射情况下，即减少了射频链路功耗，又充分地利用了所有的相控发射天线阵列。
当发射机按最大空时流数传输数据即满流传输时，数据流经过基带信号处理后，通过数字域波束成形转换成空时流。具体形式如图4所示，每一空时流经过一路射频链路。每一空时流经一个射频链路后，由此射频链路对应的相控发射阵列天线单元进行发射。每一传输的空时流在相控发射天线阵列端完成波束成形发射。此种情况下，各射频链路与其他相控发射阵列天线单元之间的连接设为断开。
在接收端，由于之前的信令已经告知采用何种的发送方式，故接收端采用的与发送端相同的连接配置方式进行接收数据。满流传输时，接收端进行的是传统的发送方法。

Claims (1)

1.一种无线通信系统中能效多模混合波束成型的传输方法，其特征在于：无线通信系统中能效多模混合波束成型的传输装置，其特征在于：包括发射机和接收机，发射机包括接收数据流的基带信号处理模块，射频链路模块，以及相控发射天线阵列；接收机具体包括发送数据流的基带信号处理模块，射频链路模块，以及相控发射天线阵列；所述基带信号处理模块与射频链路模块连接，射频链路模块与相控发射天线阵列连接；基带信号处理模块、射频链路模块和相控控制器之间存在控制链路；
每个射频链路模块固定连接有相同数量的射频天线，每一射频天线均有一相移控制器；每个射频链路模块对应固定连接的相控器、射频天线组成相控发射天线阵列单元；与此同时，每个射频链路与其他相控发射天线阵列单元之间有可控的连接；射频链路数目与相控发射天线阵列单元数目相同，也与发射机支持的最大空时流数相同；
具体发射方案如下：
当发射机不是按最大空时流数传输数据即不满流传送时，NData个数据流经过基带信号处理后，通过数字域波束成形转换成NSTS个空时流；由于发射的空时流数小于射频链路所能支持的最大空时流数，即NSTS＜NDA，NDA表示DA射频链路数；此时只需使用NSTS个DA射频链路，其余的(NDA-NSTS)个射频链路予以关闭；此时使用的NSTS个射频链路与其他未使用的(NDA-NSTS)个射频链路所对应的相控发射天线阵列的连接开关置为连接状态；接收方案与发射方案相同；
对于每一射频链路来说，其能连接的相控发射天线阵列由剩余未使用的(NDA-NSTS)个射频链路对应的相控发射天线阵列平均分配给这NSTS个射频链路；当不能整除时，某些射频链路连接的相控发射天线阵列数量可能会比其他射频链路多一些或少一些；对于每一未使用的射频链路对应的相控发射天线阵列来说，其只能接受一个射频链路的控制；应保证任意数量空时流数NSTS发射时，NSTS个射频链路与未使用的(NDA-NSTS)个射频链路所对应的相控发射天线阵列之间的连接配置关系是唯一的，便于接收机确定以相同方案进行配置接收；
连接配置方案可以为：前(NSTS-1)个射频链路每个链路所连接的相控发射天线阵列数为个，第NSTS个射频链路所连接的相控发射天线阵列数为个，射频链路与相控发射天线阵列之间依次就近连接；
NSTS个射频链路与其所能连接控制的相控发射天线阵列组成一个新的相控发射单元，在新的相控发射单元上进行波束成形传输；这样，在不满流发射情况下，即减少了射频链路功耗，又充分地利用了所有的相控发射天线阵列；
当发射机按最大空时流数传输数据即满流传输时，Ndata个数据流经过基带信号处理后，通过数字域波束成形转换成NSTS个空时流；每一空时流经过一路射频链路；此时最大空时流数即为射频链路个数，可记为NDA；每一空时流经一个射频链路后，由此射频链路对应的相控发射阵列天线单元进行发射；每一传输的空时流在相控发射天线阵列端完成波束成形发射；此种情况下，各射频链路与其他相控发射阵列天线单元之间的连接设为断开。
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