CN105244634A - 大规模mimo天线阵列的降维方法及利用该方法的系统 - Google Patents

Abstract

一种大规模MIMO天线阵列的降维方法，利用无源变换网络在空域中形成若干具有不同空间指向的基波束，并将阵列的输入输出与这些基波束相对应建立阵列输入输出与角空间覆盖的一一对应关系；之后依据目标角空间覆盖范围的具体需求对基波束进行加窗操作，仅保留目标角空间覆盖范围内部及其附近的基波束，实现降维，降维既可以是二维的，也可以是一维的，依据目标角空间覆盖的具体要求进行灵活配置；本发明还提供了相应的系统，阵面和变换网络可以是分立设计，也可以是一体化设计，本发明可大幅度减小大规模MIMO天线阵列中的射频链路数，在硬件层面上对大规模MIMO系统的复杂度进行降低。

Description

大规模MIMO天线阵列的降维方法及利用该方法的系统

技术领域

本发明属于天线阵列技术领域，特别涉及一种大规模MIMO天线阵列的降维方法及利用该方法的系统。

背景技术

近年来，伴随着第三代移动通信技术的普及和第四代移动通信技术的推广，移动通信系统的信道容量和系统容量上取得了长足的进步。多入多出(MIMO)技术，作为利用空域资源的一项新兴无线通信技术，成为这一进步的一项重要支柱。它利用发射和接收端的天线阵列，在空域中对多径信道进行分离，并在分离的信道上同时收发多个空域码流，从而在不占用额外的频域和时域资源的前提下，实现空分复用，成倍的提高无线通信的速率。

随着第五代移动通信技术的提出，MIMO技术正向大规模，多用户方向进行演进。相较于传统的MIMO技术，大规模MIMO技术(MassiveMIMO)在基站端采用了大规模的天线阵列形式(阵列阵元数达到几百个甚至上千个)，从而更有效的对多径信道进行分离，并进一步将辐射能量汇聚，提高频谱复用率和信噪比。

然而，为了实现对多径信道的探测与分离，MIMO天线阵列中每个阵元都具有独立的射频链路，它包含天线辐射阵元、射频放大器、上下变频器以及数模/模数转换器等。考虑到大规模MIMO系统拥有大量的阵元，系统的复杂度、成本和功耗相对于传统的MIMO天线阵列会急剧上升，这将很大程度限制该技术的部署和应用。

在现有的大规模MIMO天线阵列的研究中，研究人员主要关注了快速信道特征检测和基带信号的快速处理算法等技术的研究，力图从软件层面来降低大规模MIMO天线阵列在后端信号处理上的复杂度。然而，这些技术无法降低大规模MIMO系统的硬件复杂度。在硬件层面上，目前的解决方案主要是采用低成本、低功耗的阵元射频链路设计，来降低系统的整体成本、功耗和复杂度。然而，这一方案是以牺牲性能为代价的，需要进一步采取补偿算法等补偿措施。因此，如何在不损失性能的前提下，降低大规模MIMO系统的复杂度，是大规模MIMO技术研究和应用中的一个核心问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大规模MIMO天线阵列的降维方法及利用该方法的系统，可大幅度减小大规模MIMO天线阵列中的射频链路数，从而在硬件层面上对大规模MIMO系统的复杂度进行降低，

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种大规模MIMO天线阵列的降维方法，利用无源变换网络，在空域中形成若干具有不同空间指向的基波束，并将阵列的输入输出与这些基波束相对应，以建立阵列输入输出与角空间覆盖的一一对应关系；即：在接收时，将阵列中阵元上的幅相分布，变换为基波束上的幅相分布；在发射时，将应用于阵列中阵元上的幅相加权，变换为应用于基波束上的幅相加权；之后，依据目标角空间覆盖范围的具体需求，对所述基波束进行加窗操作，仅保留对目标角空间覆盖范围贡献大于设定阈值的基波束，而丢弃贡献小于设定阈值的基波束，即，仅保留目标角空间覆盖范围内部及其附近的基波束，实现降维。

所述无源变换网络为正交变换网络、近似正交或非正交的变换网络；当采用正交变换网络时，无源变换网络为离散傅里叶变换网络；它形成的基波束具有定向性和正交性，构成空域中的一组完备集；而采用近似正交或非正交网络时，不要求基波束在空域中具备正交性，仅要求基波束具有定向性；无论采用那一类型的变换网络，其生成的基波束都应具有不同的空间指向，并与一定的角空间覆盖相对应，以建立角空间覆盖与阵列输入输出的一一对应关系。

根据不同应用目标角空间覆盖范围的不同，进行针对性的降维：其中，对水平面和俯仰面均为部分覆盖的应用，目标角空间覆盖范围在两个维度均具有冗余，则在二个维度上，建立角空间覆盖与阵列输入输出的一一对应关系，并依据目标角空间覆盖范围进行加窗，实现二维降维；对水平面角空间全覆盖、俯仰面角空间部分覆盖，或俯仰面角空间全覆盖、水平面角空间部分覆盖的应用，目标角空间覆盖范围仅在单一维度具有冗余，则仅在具有冗余的维度上建立角空间覆盖与阵列输入输出的一一对应关系，依据目标角空间覆盖范围进行加窗，而在另一维度上采用传统的馈电形式，实现单一维度的降维。

本发明还提供了利用所述大规模MIMO天线阵列的降维方法的系统，包括大规模MIMO阵面21和射频链路阵列26，其中，大规模MIMO阵面21具有M×N个阵元，射频链路阵列26规模为M₁×N₁，M₁≤M，N₁≤N；其特征在于，还包括连接于大规模MIMO阵面21和射频链路阵列26之间的无源变换网络23，无源变换网络23用以形成M×N个具有不同空间指向的基波束，建立角空间覆盖与阵列输入输出的一一对应关系，即，在接收时，使得原作用于大规模MIMO阵面21阵元上的幅相分布变换为基波束上的幅相分布；在发射时，使得原作用于阵面大规模MIMO阵面21阵元上的幅相加权变换为基波束上的幅相加权；

在未加窗前，无源变换网络23与射频链路阵列26相连处具有M×N个端口，与空间中的M×N个正交基波束相对应；

在加窗后，在与射频链路阵列26相连处仅保留对应于目标角空间覆盖范围内的M₁×N₁个端口，实现降维。

所述射频链路阵列26在接收时，对无源变换网络23输出的信号进行放大、下变频、AD变换以及幅相分布的检测；在发射时，用于对馈入无源变换网络23的信号进行DA变换、上变频和放大，实现输入幅相加权。

所述大规模MIMO阵面21为微带贴片阵、偶极子阵、波导缝隙阵、介质天线阵、反射阵、透射阵或抛物面阵；所述无源变换网络23为无源微波网络或无源介质网络，所述无源微波网络包括Bulter矩阵、Blass矩阵及其变种，所述无源介质网络包括Luneburg透镜、Rotman透镜及其变种。

所述无源变换网络23与大规模MIMO阵面21一体化设计，其具体实现形式包括反射阵、透射阵以及抛物面等具有无源空馈网络的阵列。

所述无源变换网络23为二维无源变换网络或一维无源变换网络，对于水平面和俯仰面角空间均为部分覆盖的应用，无源变换网络23为二维无源变换网络，在加窗后，无源变换网络23与射频链路阵列26连接处具有M₁×N₁个端口，对应着阵列在目标角空间覆盖范围内的基波束；对于水平面角空间全覆盖、俯仰面角空间部分覆盖，或俯仰面角空间全覆盖，水平面角空间部分覆盖的应用，无源变换网络23为一维无源变换网络；对水平面角空间全覆盖的应用，在加窗后，无源变换网络23与射频链路阵列26连接处具有M×N₁个端口，其中纵向维度中的N₁个端口，对应着阵列在俯仰面目标角空间覆盖范围内的基波束；对俯仰面角空间全覆盖的应用，在加窗后，变换网络与射频链路阵列26连接处具有M₁×N个端口，其中横向维度中的M₁个端口，对应着阵列在水平面目标角空间覆盖范围内的基波束。

所述加窗过程为：

将无源变换网络23的输入输出维度，由接收时的M×N输入/发射时的M×N输出、接收时的M×N输出/发射时的M×N输入，降至接收时的M₁×N₁输入/发射时的M₁×N₁输出、接收时的M₁×N₁输出/发射时的M₁×N₁输入，从而使射频链路阵列26所需的射频链路数量，从M×N降至M₁×N₁；加窗操作中，在无源变换网络23的接收时的M×N输出/发射时的M×N输入中所选取的M₁×N₁个输出/输入，与目标角空间覆盖范围内的基波束一一对应，对阵列在目标角空间的覆盖起主要贡献。

所述无源变换网络23为严格正交的变换网络，其变换后的端口，对应着空间中正交的基波束；或者，为近似正交或非正交的变换网络，其变换后的端口所对应的基波束无需满足正交关系，仅需具有定向特性和不同的空间指向，能建立阵列空间覆盖角度与阵列输入输出的一一对应关系即可。

与现有技术相比，采用本发明可以有效降低MIMO系统的射频链路数，从而极大地减小大规模MIMO天线阵列的复杂度、成本和功耗。同时，由于仅丢弃了对小区角空间覆盖具有较小贡献的基波束，因此，阵列在小区角空间覆盖内的性能得以保持。

附图说明

图1(a)为M＝N＝6时，采用具有离散傅里叶变换特性的无源变换网络所产生的基波束的方向图样式；图1(b)为采用具有离散傅里叶变换特性的无源变换网络所产生的基波束的指向和3dB覆盖范围示意图。

图2为本发明可降维大规模MIMO天线阵列系统示意图。

图3为实施例下的小区划分和相应的角空间覆盖示意图。

图4为传统大规模MIMO阵列的一个具体实施例。图4(a)为传统大规模MIMO阵列的系统构成示意图，其阵面规模为M×N＝16×16＝256，射频链路阵列规模与阵面规模相同；图4(b)为该系统下用户1的多径信号在阵列阵元上的幅度分布；图4(c)为该系统下用户2的多径信号在阵列阵元上的幅度分布；图4(d)为该系统下用户3的多径信号在阵列阵元上的幅度分布。

图5为本发明可降维大规模MIMO天线阵列系统的一个具体实施例。图5(a)为系统构成示意图，阵面规模为M×N＝16×16＝256，射频链路阵列规模为P×Q＝12×8＝96；图5(b)为该系统下用户1的多径信号在阵列基波束上的幅度分布；图5(c)为该系统下用户2的多径信号在阵列基波束上的幅度分布；图5(d)为该系统下用户3的多径信号在阵列基波束上的幅度分布。

图6为本发明可降维大规模MIMO天线阵列系统和传统的大规模MIMO阵列的累积信道容量比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明给出了一种大规模MIMO天线阵列的降维方法，它通过在阵列中引入无源变换网络，或直接采用特殊设计的阵列天线，在空域中形成若干定向基波束；这些定向基波束具有不同空间指向，每一个基波束与一定的角空间覆盖相对应，从而建立了角空间覆盖与阵列输入输出的一一对应关系。在接收时，将阵列中阵元上的幅相分布，变换为基波束上的幅相分布；在发射时，将应用于阵列中阵元上的幅相加权，变换为应用于基波束上的幅相加权。之后，依据目标角空间覆盖范围的具体需求，对所述基波束进行加窗操作，仅保留对目标角空间覆盖范围贡献大于设定阈值的基波束，而丢弃贡献小于设定阈值的基波束，从而大幅减小阵列所需的射频链路数量，实现降维。

对于该降维方法所采用的变换网络，既可以是正交变换网络，也可以是近似正交或非正交变换网络。它仅要求变换网络能形成具有不同空间指向的定向基波束，以建立角空间覆盖与阵列输入输出的一一对应关系。正交和非正交变换网络的区别在于，正交变换网络形成的基波束，在角空间中具备正交性，其建立的波束与角空间覆盖的一一对应关系更明确，性能相对更优。

下面以具有正交变换特性的离散傅里叶变换为例，来对该降维方法的实现原理进行描述：

假设大规模MIMO天线阵列为一维阵，阵元为全向阵元，阵元沿Z轴等间距(d)分布，则N阵元天线阵在空域中的波束方向图可表述为：

$\begin{array}{c}F\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{I}_i{e}^{j\mathrm{\β}idcos\left(\mathrm{\θ}\right)}\\ =\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left|I_i\right|e^{{\mathrm{j\φ}}_i}\·e^{j\mathrm{\β}idcos\left(\mathrm{\θ}\right)}\end{array}$

其中，j为虚数单位，I_i(包含幅度|I_i|和相位φ_i)表示第i个阵元的幅相分布(接收)或加权系数(发射)，β表示传播常数。

而非周期序列f(i)＝I_i(i＝1,2,...,N)的离散傅里叶变换为：

$\begin{array}{c}F\left(e^{j\mathrm{\θ}}\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{I}_i{e}^{ji\mathrm{\θ}}\\ =\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left|I_i\right|e^{{\mathrm{j\φ}}_i}\·e^{ji\mathrm{\θ}}\end{array}$

对比两式可知，一维天线阵在空域中的波束方向图是阵元幅相分布(接收)或加权系数(发射)的离散傅里叶变换。

进一步的，假设大规模MIMO天线阵列为M×N二维阵(M≥1，N≥1)，阵元为全向阵元，阵元沿X和Y方向等间距分布，且间距分别为d_x和d_y，每个阵元的幅相分布(接收)或加权系数(发射)为A_mn(包含幅度|I_mI_n|,相位φ_m+φ_n)，则该二维阵在空域中的波束方向图可表述为：

可见，二维天线阵的波束方向图可表述为两个维度上的离散傅里叶变换乘积。因此，二维天线阵的波束方向图和阵列各阵元的幅相分布(接收)或加权系数(发射)呈二维离散傅里叶变换的关系。对于规模为M×N的二维阵列天线，它在空域中具有M×N个空间基函数(基波束)，这些基波束的方向图可以记为：

其中，p＝1,2,…,M，q＝1,2,…,N。其具体形式为：

图1(a)给出了阵列规模为M＝N＝6时，采用具有离散傅里叶变换特性的无源变换网络所产生的P×Q＝36(P＝M＝6，Q＝N＝6)个正交的基波束的方向图，图1(b)给出了每个基波束的3dB覆盖。可以看出，这些基波束为定向波束，具有不同的指向，在空间上具有正交性；每一个基波束与一定的角空间覆盖对应，36个基波束实现了全角空间的覆盖(图1中仅给出了水平面(平面)从0°到180°的方向图形式，水平面从180°到360°与0°到180°的方向图形式对称，因此图中未进一步给出)，构成了空域中的一组完备集。

二维阵列所可以产生的所有空域方向图形式，都可以由这M×N个基波束线性加权得到，也即：

其中，B_pq为基波束上的幅相分布(接收)或加权系数(发射)，它与A_mn的变换关系，可由离散傅里叶变换的系数变换得到：

$B_{pq}=\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{A}_{mn}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}p}{M}m}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}q}{N}n}$

而这一变换，可由引入的离散傅里叶变换网络实现。

通过在阵元与阵列的输入输出端口间引入离散傅里叶变换网络，将阵列的输入(接收)输出(发射)，由传统的与阵面阵元(A_mn)直接对应，变换为与基波束(B_pq)相对应，并进一步利用基波束与角空间覆盖的一一对应关系，建立起阵列输入(接收)输出(发射)与角空间覆盖的一一对应关系。在这一对应关系建立之后，对于某一特定的目标角空间覆盖范围Σ内的用户信号，阵列接收时，仅在这一目标角空间覆盖范围Σ对应的基波束上具有较为显著的幅相输出；在发射时，也仅在这一目标角空间覆盖范围Σ对应的基波束上具有显著的加权值。

对传统的大规模MIMO阵列，由于阵列的输入输出端口与阵元一一对应，为了得到阵列口面的幅相分布(接收)或加权系数(发射)A_mn，每个输入输出端口都需要连接具有幅相检测和幅相加权功能的射频链路，因此，射频链路的规模和天线阵的阵元规模相同。在这一配置下，阵列的阵面拥有完整的幅相分布检测能力(接收)或幅相加权能力(发射)，可实现全角空间覆盖。

然而，在实际应用中，这一全角空间覆盖能力是冗余的。在基于蜂窝小区划分的现代无线通信系统中，基站每面阵列所需实现的目标角空间覆盖范围Σ在水平面和俯仰面内一般都是有限的，它与基站天线的架高、距离覆盖范围及小区的细分数相关。通常，这一目标角空间覆盖范围Σ只占到了整个角空间的1/4到1/3。

在本发明中，通过在MIMO阵列阵元和输入输出端口间引入具有离散傅里叶变换特性的无源变换网络，在接收时，将传统的阵元上的幅相分布A_mn变换为基波束上的幅相分布B_pq；在发射时，将传统的阵元上的幅相加权A_mn变换为基波束上的幅相加权B_pq，建立起角空间覆盖与阵列输入(接收)输出(发射)的一一对应关系。在给定目标角空间覆盖范围Σ时，通过对变换后阵列的输入输出端口做加窗操作，仅保留对应于目标角空间覆盖范围Σ内部及其附近的基波束，就可以在目标角空间覆盖范围Σ内获得与传统阵列相似的性能。考虑到仅需对窗内的基波束进行幅相检测(接收)和幅相加权(发射)，大规模MIMO阵列所需的射频链路数可以得到有效降低。

对于需求水平面角空间全覆盖，俯仰面角空间部分覆盖，或俯仰面角空间全覆盖，水平面角空间部分覆盖的特殊应用，阵面的目标角空间覆盖范围Σ仅在单一维度具有冗余。针对这一情况，还可以进一步的将二维无源变换网络降至一维无源变换网络，仅在具有冗余的维度上建立角空间覆盖与阵列输入输出的一一对应关系，而在另一维度上采用传统的馈电形式，实现单一维度的降维。例如对水平面角空间全覆盖应用，可在阵列的纵向(俯仰面)维度采用无源变换网络，而在横向(水平面)维度采用射频链路单元与阵面阵元直接连接的馈电方式。该方案可以降低变换网络的复杂度，从而进一步减小大规模MIMO阵列整体的复杂度。

基于该降维方法，本发明的大规模MIMO天线阵列系统如图2所示，主要包括大规模MIMO阵面21、无源变换网络23和射频链路阵列26，其中：

大规模MIMO阵面21：它包含M×N个阵元，其具体实现形式可以是微带贴片阵、偶极子阵、波导缝隙阵、介质天线阵、反射阵或透射阵、抛物面等各个类型的阵面。

无源变换网络23：它是收发互易的变换网络，在接收时，用于实现大规模MIMO阵面21上阵元幅相分布A_mn到基波束幅相分布B_pq的变换；在发射时，用于实现基波束幅相加权B_pq到大规模MIMO阵面21上阵元幅相加权A_mn的变换。其具体实现形式可以是Bulter矩阵，Blass矩阵等无源微波网络；Luneburg透镜，Rotman透镜等无源介质网络。同时，无源变换网络23也可与大规模MIMO阵面21一体化设计。其具体实现形式包括但不限于反射阵、透射阵以及抛物面等具有无源空馈网络的阵列。无源变换网络23可以是严格正交的变换网络，如离散傅里叶变换等，其变换后的端口，对应着角空间中正交的基波束；也可以是近似正交或非正交的变换网络，其变换后的端口所对应的基波束无需满足正交关系，仅需具有定向特性和不同的空间指向，能建立角空间覆盖与阵列输入输出的一一对应关系即可。

射频链路阵列26：规模为M₁×N₁，其规模大小由无源变换网络23的加窗的大小，即阵列的目标角空间覆盖范围Σ决定(对于水平面、俯仰面角空间均为部分覆盖的应用，M₁＜M且N₁＜N，对于水平面角空间全覆盖，俯仰面角空间部分覆盖的应用，M₁＝M且N₁＜N，对于俯仰面角空间全覆盖，水平面角空间部分覆盖的应用，M₁＜M且N₁＝N)。在接收时，用于对无源变换网络23输出的信号进行放大、下变频、AD变换，进行幅相分布B_pq的检测；在发射时，用于对馈入无源变换网络23的信号进行DA变换，上变频和放大，实现幅相加权B_pq

本发明中，对于水平面、俯仰面角空间均为部分覆盖的应用，无源变换网络23为二维网络。它具有M×N个输入(接收)或输出(发射)，对应于大规模MIMO阵面21的M×N个阵元；在加窗前，无源变换网络23具有M×N个输出(接收)或输入(发射)，对应着M×N个基波束；在加窗后，变换网络具有M₁×N₁(M₁＜M且N₁＜N)个输出(接收)或输入(发射)，对应着目标角空间覆盖范围Σ内的M₁×N₁个基波束。

对于水平面角空间全覆盖、俯仰面角空间部分覆盖，或俯仰面角空间全覆盖，水平面角空间部分覆盖的应用，无源变换网络23为一维网络。它具有M×N个输入(接收)或输出(发射)，对应于大规模MIMO阵面21的M×N个阵元。

对于水平面全覆盖的应用，无源变换网络23实际由M行相同的一维变换网络(N端口到N端口)堆叠而成，加窗仅针对纵向(俯仰面)维度进行。在加窗前，该无源变换网络23具有M×N个输出(接收)或输入(发射)，在加窗后，该无源变换网络23具有M×N₁(N₁＜N)个输出(接收)或输入(发射)，从而实现俯仰面维度的降维。

对于俯仰面全覆盖的应用，无源变换网络23实际由N列相同的一维变换网络(M端口到M端口)堆叠而成，加窗仅针对横向(水平面)维度进行。在加窗前，该无源变换网络23具有M×N个输出(接收)或输入(发射)，在加窗后，该无源变换网络23具有M₁×N(M₁＜M)个输出(接收)或输入(发射)，从而实现水平面维度的降维。

通过无源变换网络23，建立了角空间覆盖与阵列输入(接收)输出(发射)的一一对应关系，使射频链路阵列26所需的射频链路数量，从传统的M×N降至M₁×N₁，减小了大规模MIMO阵列系统的成本、功耗和复杂度。在加窗操作中，在无源变换网络23的M×N个输出(接收)/输入(发射)中所选取的M₁×N₁个输出(接收)/输入(发射)，与目标角空间覆盖范围Σ内的基波束一一对应。它们对阵列在目标角空间覆盖范围Σ中的覆盖起主要贡献，而加窗操作中所丢弃的M×N-M₁×N₁个输出(接收)/输入(发射)，对阵列在目标角空间覆盖范围Σ中的覆盖贡献较小。因而，在目标角空间覆盖范围Σ内，降维后的大规模MIMO阵列性能与传统大规模MIMO阵列几乎相同。在实际设计中，为了更好的保证阵列的性能，可以采用冗余设计，即令窗口对应的角空间覆盖Σ_r>Σ。冗余度的选取可根据实际应用中，对阵列的性能需求决定。

图2中，来自目标角空间覆盖范围Σ内某一用户的多径信号20包含图中三组平行线所示的三条径，分别来自角空间Σ中不同的方向。当大规模MIMO阵面21接收到多径信号20时，大规模MIMO阵面21上各阵元上的幅度分布|A_mn|22如图所示。由于多径信号20中，不同径的信号是相关的，相关叠加产生了幅度分布|A_mn|22所示的幅度波动。从所示的幅度分布可以看到，在多径信号20入射时，几乎每个阵元都有输出，这也是传统方案中，每个阵元都需要有独立的射频链路的原因。当大规模MIMO阵面21上的幅相分布A_mn经过无源变换网络23变换为正交基波束上的幅相分布B_pq后，无源变换网络23输出端口的幅度分布|B_pq|24如图所示。它仅在部分端口有显著的输出，而在其他端口处输出微弱；具有显著输出的端口与多径信号20中不同径的入射角方向相对应。推广而言，对于来自目标角空间覆盖范围Σ中的所有多径信号，仅会在目标角空间覆盖范围Σ内基波束所对应的端口产生显著的输出，而在其他端口处输出微弱。因此，可以对无源变换网络23的输出端口进行加窗操作，仅保留与目标角空间覆盖范围Σ对应的端口，实现降维。在加窗后，射频链路阵列26仅需与窗口25内的端口维度保持一致，系统的复杂度和功耗将会大大降低。

下面结合具体实施例进一步详细说明本发明的技术方案实施过程。

在实施例中，假设阵列所需实现的目标角空间覆盖范围Σ如图3所示，其俯仰面角空间覆盖范围为95°<θ<157°(依据小区天线挂高25m，用户平均高度1.5m，用户与基站距离10-250m确定),水平面角空间覆盖范围为(依据60°小区划分确定)，MIMO阵列规模为M×N＝16×16＝256。用户处于该目标角空间覆盖范围Σ内，并假设每个用户的多径信号的径数目为6，幅度服从对数正态分布，相位服从随机均匀分布。

图4(a)为传统方案的系统构成示意。在该方案中，大规模MIMO阵面21直接和射频链路阵列26连接，两者的维度相同(M×N＝16×16＝256)。当阵列接收来自目标角空间覆盖范围Σ内的三个不同用户的多径信号时，大规模MIMO阵列的归一化幅度输出(即各阵元的幅度分布)如图4(b)、图4(c)和图4(d)所示。可以看到，对任意用户，当多径信号入射时，几乎每个阵元都有显著的输出。

图5(a)为本发明提出的降维方案的系统构成示意。在该方案中，大规模MIMO阵面21(M×N＝16×16＝256)和射频链路阵列26(P×Q＝12×8＝96)间，由具有离散傅里叶变换特性的无源变换网络23相连接，实现了降维(M×N＝256到P×Q＝96)。当阵列接收与图4(b)、图4(c)和图4(d)中相同的、来自目标角空间覆盖范围Σ内的三个用户的多径信号时，大规模MIMO阵列的归一化幅度输出如图5(b)、图5(c)和图5(d)所示(图中给出了未加窗前所有正交的基波束上的输出，因而输出的维度和阵面的维度相同)。可以看出，阵列的仅在窗口25内的端口有显著的输出，而在窗口25外的端口输出很微弱。这是由于引入的无源变换网络23实现了角空间覆盖与阵列输出的一一对应关系，当信号来自于目标角空间覆盖范围Σ内时，仅会在与该目标角空间覆盖范围Σ内基波束对应的输出端口(窗口25内的端口)上有显著输出，而在其他端口输出微弱。因此，在丢掉窗外输出微弱的端口实现降维后，阵列的性能不会受到较大的影响。

图6给出了传统方案和降维方案的性能比较。可以看出，在采用降维方案后，其射频链路阵列26的维度由传统的M×N＝256降至P×Q＝96。和具有相同阵面21维度的传统方案对比，累积容量几乎相同；和具有相同射频链路阵列26维度的传统方案对比，累积容量几乎为其两倍。因此，本发明提出的降维方案有效的保证了大规模MIMO阵列的性能，同时降低了大规模MIMO阵列的复杂度及功耗。

Claims (10)

1.一种大规模MIMO天线阵列的降维方法，其特征在于，利用无源变换网络，在空域中形成若干具有不同空间指向的基波束，并将阵列的输入输出与这些基波束相对应，以建立阵列输入输出与角空间覆盖的一一对应关系；即：在接收时，将阵列中阵元上的幅相分布，变换为基波束上的幅相分布；在发射时，将应用于阵列中阵元上的幅相加权，变换为应用于基波束上的幅相加权；之后，依据目标角空间覆盖范围的具体需求，对所述基波束进行加窗操作，仅保留对目标角空间覆盖范围贡献大于设定阈值的基波束，而丢弃贡献小于设定阈值的基波束，即，仅保留目标角空间覆盖范围内部及其附近的基波束，实现降维。

2.根据权利要求1所述大规模MIMO天线阵列的降维方法，其特征在于，所述无源变换网络为正交变换网络、近似正交或非正交的变换网络；当采用正交变换网络时，无源变换网络为离散傅里叶变换网络；它形成的基波束具有定向性和正交性，构成空域中的一组完备集；而采用近似正交或非正交网络时，不要求基波束在空域中具备正交性，仅要求基波束具有定向性；无论采用那一类型的变换网络，其生成的基波束都应具有不同的空间指向，并与一定的角空间覆盖相对应，以建立角空间覆盖与阵列输入输出的一一对应关系。

3.根据权利要求1所述大规模MIMO天线阵列的降维方法，其特征在于，根据不同应用目标角空间覆盖范围的不同，进行针对性的降维：其中，对水平面和俯仰面均为部分覆盖的应用，目标角空间覆盖范围在两个维度均具有冗余，则在二个维度上，建立角空间覆盖与阵列输入输出的一一对应关系，并依据目标角空间覆盖范围进行加窗，实现二维降维；对水平面角空间全覆盖、俯仰面角空间部分覆盖，或俯仰面角空间全覆盖、水平面角空间部分覆盖的应用，目标角空间覆盖范围仅在单一维度具有冗余，则仅在具有冗余的维度上建立角空间覆盖与阵列输入输出的一一对应关系，依据目标角空间覆盖范围进行加窗，而在另一维度上采用传统的馈电形式，实现单一维度的降维。

4.利用权利要求1所述大规模MIMO天线阵列的降维方法的系统，其特征在于，包括大规模MIMO阵面(21)和射频链路阵列(26)，其中，大规模MIMO阵面(21)具有M×N个阵元，射频链路阵列(26)规模为M₁×N₁，M₁≤M，N₁≤N；其特征在于，还包括连接于大规模MIMO阵面(21)和射频链路阵列(26)之间的无源变换网络(23)，无源变换网络(23)用以形成M×N个具有不同空间指向的基波束，建立角空间覆盖与阵列输入输出的一一对应关系，即，在接收时，使得原作用于大规模MIMO阵面(21)阵元上的幅相分布变换为基波束上的幅相分布；在发射时，使得原作用于阵面大规模MIMO阵面(21)阵元上的幅相加权变换为基波束上的幅相加权；

在未加窗前，无源变换网络(23)与射频链路阵列(26)相连处具有M×N个端口，与空间中的M×N个正交基波束相对应；

在加窗后，在与射频链路阵列(26)相连处仅保留对应于目标角空间覆盖范围内的M₁×N₁个端口，实现降维。

5.根据权利要求4所述系统，其特征在于，所述射频链路阵列(26)在接收时，对无源变换网络(23)输出的信号进行放大、下变频、AD变换以及幅相分布的检测；在发射时，用于对馈入无源变换网络(23)的信号进行DA变换、上变频和放大，实现输入幅相加权。

6.根据权利要求4所述系统，其特征在于，所述大规模MIMO阵面(21)为微带贴片阵、偶极子阵、波导缝隙阵、介质天线阵、反射阵、透射阵或抛物面阵；所述无源变换网络(23)为无源微波网络或无源介质网络，所述无源微波网络包括Bulter矩阵、Blass矩阵及其变种，所述无源介质网络包括Luneburg透镜、Rotman透镜及其变种。

7.根据权利要求4或6所述系统，其特征在于，所述无源变换网络(23)与大规模MIMO阵面(21)一体化设计，其具体实现形式为具有无源空馈网络的阵列。

8.根据权利要求4所述系统，其特征在于，所述无源变换网络(23)为二维无源变换网络或一维无源变换网络，对于水平面和俯仰面角空间均为部分覆盖的应用，无源变换网络(23)为二维无源变换网络，在加窗后，无源变换网络(23)与射频链路阵列(26)连接处具有M₁×N₁个端口，对应着阵列在目标角空间覆盖范围内的基波束；对于水平面角空间全覆盖、俯仰面角空间部分覆盖，或俯仰面角空间全覆盖，水平面角空间部分覆盖的应用，无源变换网络(23)为一维无源变换网络；对水平面角空间全覆盖的应用，在加窗后，无源变换网络(23)与射频链路阵列26连接处具有M×N₁个端口，其中纵向维度中的N₁个端口，对应着阵列在俯仰面目标角空间覆盖范围内的基波束；对俯仰面角空间全覆盖的应用，在加窗后，变换网络与射频链路阵列26连接处具有M₁×N个端口，其中横向维度中的M₁个端口，对应着阵列在水平面目标角空间覆盖范围内的基波束。

9.根据权利要求4所述系统，其特征在于，所述加窗过程为：

将无源变换网络(23)的输入输出维度，由接收时的M×N输入/发射时的M×N输出、接收时的M×N输出/发射时的M×N输入，降至接收时的M₁×N₁输入/发射时的M₁×N₁输出、接收时的M₁×N₁输出/发射时的M₁×N₁输入，从而使射频链路阵列(26)所需的射频链路数量，从M×N降至M₁×N₁；加窗操作中，在无源变换网络(23)的接收时的M×N输出/发射时的M×N输入中所选取的M₁×N₁个输出/输入，与目标角空间覆盖范围内的基波束一一对应，对阵列在目标角空间的覆盖起主要贡献。

10.根据权利要求4所述系统，其特征在于，所述无源变换网络(23)为严格正交的变换网络，其变换后的端口，对应着空间中正交的基波束；或者，为近似正交或非正交的变换网络，其变换后的端口所对应的基波束无需满足正交关系，仅需具有定向特性和不同的空间指向，能建立阵列空间覆盖角度与阵列输入输出的一一对应关系即可。