CN105306125A - 非对称共享型混合波束成型收发装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种非对称共享型混合波束成型收发装置，发射端采用共享型数模混合波束成型结构，接收端采用数字波束成型结构。与传统MIMO通信中采用数字波束成型架构的系统相比，发射端使用由模拟相移器构成的RF预编码器可以减少射频链路数，降低成本，减少总的发射功率。与发射端和接收端均使用混合数模波束成型结构的系统相比，该系统模型的接收端仅使用数字波束成型结构，使接收端波束成型结构更加简单，整个系统复杂度降低。

Description

非对称共享型混合波束成型收发装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及到一种非对称共享型混合波束成型收发装置，该装置可以实现多用户多输入多输出(MultipleInputMultipleOutput，MIMO)通信，简化了接收端波束成型结构，降低了系统复杂度。

背景技术

随着通信技术的不断发展，通信设备不断的更新与改进，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传输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已经成为学术界和工业界的热点，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，使得毫米波(Millimeterwave)通信得到了人们的关注。在毫米波通信系统中，高速率和高质量的通信需要在基站(BaseStation，BS)和用户端使用大的天线阵列同时服务于多个用户，在发射端需要进行预编码消除用户间的干扰，波束成型技术成为一种关键的补偿技术。

在传统的多输入多输出(MultipleInputMultipleOutput，MIMO)系统中，波束成型技术在基带应用，然而在基带采用波束成型时，一根发射天线需要一个射频(RadioFrequency，RF)链路，由于RF链路硬件成本太高，以至于发射天线数受到一定的限制。因此，人们提出在模拟域使用波束成型技术即模拟相移器，其幅度为常数，相位为量化值。但相移器的使用会限制RF编码矩阵元素的幅度为常数值，实现的性能会受到一定的影响。为了实现更大的波束成型增益以及能够对多个数据流进行预编码，混合波束成型技术的使用成为了一种策略。

在现有使用混合波束成型技术的系统中，大部分都是在发射端和接收端同时使用混合波束成型技术。本发明提出一种非对称共享型混合波束成型收发实现装置，发射端采用共享型数模混合波束成型结构，而接收端使用数字波束成型结构。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决无线通信技术中利用波束成型技术实现更高传输速率，提高系统性能，简化系统结构，降低系统复杂度，提出一种非对称共享型混合波束成型收发装置，此装置可以实现多用户MIMO通信。该系统模型在发射端使用共享型数模混合波束成型结构，每根发射天线上传输的信号是经过数字预编码和模拟预编码混合得到的信号，在接收端仅采用数字波束成型结构，简化了接收端的波束成型结构，降低了系统复杂度。

技术方案：本发明所述的非对称共享型混合波束成型收发装置，其目的是这样实现的：

一种非对称共享型混合波束成型收发装置，包括发射端和接收端，所述发射端使用共享型数模混合波束成型结构，即发射端的每根发射天线上传输的信号是经过数字预编码和模拟预编码混合得到的信号，所述接收端仅使用数字波束成型结构，该非对称共享型混合波束成型收发实现装置实现多用户MIMO(MultipleInputMultipleOutput，多输入多输出)通信。

具体的，所述发射端包括依次连接的基带预编码器、数模转换器、RF预编码器、混合器和发射天线，所述接收端包括依次连接的接收天线、模数转换器和基带均衡处理器，所述发射端信号先经过基带预编码器处理，消除用户间干扰和数据流间干扰形成空时流；空时流经过数模转换器(DigitalAnalogConverter，DAC)转换到模拟域，生成RF链路；再由相移器组成的RF预编码器处理，相移器可以提高天线增益，提高抗衰弱的能力；最后信号经过混合器映射到发射天线上发送；经过信道到达接收天线上的信号由模数转换器(AnalogDigitalConverter,ADC)转化为数字信号；再由基带均衡处理器处理得到相应的数据流。

发射端采用共享型数模混合波束成型结构，假设本发明中共有N_RF条射频链路和N_BS根发射天线，发射端信号经基带预编码器处理后形成的空时流数为射频链路的开关状态可以根据空时流数进行相应的调整，发射端动态地选择条RF射频链路并令其处于连接状态，令其他条RF射频链路处于关闭状态，则同时这条RF射频链路上相移器与混合器连接的链路也处于关闭状态。

发射端向K(K≥1)个用户发射N_s个数据流，且表示发送给用户u的数据流数，表示用户u的接收天线数。数据流先经过基带预编码器处理后形成空时流，基带预编码矩阵F_BB的行数为列数为数据流数N_s。

发射端从能效与复用分集角度动态地分配用户相对应的射频链路数，分配用户u的射频链路数为λ_u，且每条射频链路与N_BS个相移器连接，相移器受硬件限制，仅有相位可调而幅度为常数。空时流由DAC转为模拟信号后，经过由模拟相移器构成的RF预编码器处理，RF预编码矩阵F_RF的维度为且RF预编码矩阵的元素要满足一定的约束条件，如下式所示：

|[F_RF]_m,n|＝c

其中c表示一个常数，[F_RF]_m,n表示矩阵的第m行、第n列元素，||表示取幅度。

每一个用户对应一个波束控制矩阵，RF预编码矩阵可以表示为F_RF＝[F₁,F₂,L,F_K]，其中，F₁、F₂…F_k为分别对应用户1、用户2…用户K的波束控制矩阵，用户u的波束控制矩阵为F_u，列数为λ_u，每一列对应一个相位控制矢量，相位控制矢量通过波束进行训练从现有RF码本中得到，码本有M个码字。用户u的波束控制矩阵F_u的获取方法具体包括以下步骤：：

S1：根据分配给用户u的射频链路数λ_u，从码本中随机选择λ_u个码字建立多个波束控制矩阵表示i个波束控制矩阵；

S2：发射端选择λ_u个射频链路且令其处于连接状态，其他射频链路以及射频链路上相移器与混合器连接的链路处于关闭状态，对用户u发射相同的数据流且发射功率保持不变，依次用进行模拟波束训练；

S3：用户u根据接收信号的信噪比得到最佳一组码字Q，并把最佳一组码字Q的信息反馈给发射端，发射端根据用户反馈的信息，得到用户u的波束控制矩阵F_u。

其他用户的波束训练过程与用户u的波束训练过程相同，可以求出每个用户的波束控制矩阵得到RF预编码矩阵F_RF。

经过RF预编码器处理后信号再由混合器叠加，混合器的数目等于发射天线数且一个混合器与一根发射天线连接。第i个混合器上的输出信号是所有条射频链路上的第i个相移器输出信号的叠加，叠加后的信号映射到N_BS根发射天线上发送给用户。

接收端采用数字波束成型结构，发送信号经过信道到达用户u的接收天线上，接收信号先经过ADC把模拟信号转换为数字信号，数字信号再经过基带均衡处理器恢复出个数据流，基带均衡矩阵的维度为

对于上面描述的非对称共享型混合波束成型收发实现装置，主要目的就是设计发射端基带预编码矩阵、RF预编码矩阵和每个用户的基带均衡矩阵使总的传输速率达到最大，基带预编码矩阵和基带均衡矩阵可以根据已有的数字波束成型技术中设计数字预编码矩阵的方法得到。总的传输速率等于发射端与每个用户之间传输速率总和，可以先对单个用户传输速率进行优化，再把所有用户实现的传输速率求和得到总传输速率。

有益效果：本发明所述的非对称共享型混合波束成型收发装置，发射端采用共享型数模混合波束成型结构，接收端采用数字波束成型结构。与传统MIMO通信中采用数字波束成型架构的系统相比，发射端使用由模拟相移器构成的RF预编码器可以减少射频链路数，降低成本，减少总的发射功率。与发射端和接收端同时使用混合数模波束成型结构的系统相比，该系统模型的接收端仅使用数字波束成型结构，使接收端波束成型结构更加简单，整个系统复杂度降低。

附图说明

图1是本发明所述收发装置的系统原理示意图；

图2是本发明所述收发装置的流程示意图；

图3是本发明实施例中所对应的收发装置的系统原理示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

参见图1所示，一种非对称共享型混合波束成型收发装置，包括发射端和接收端，所述发射端采用共享型数模混合波束成型结构，即发射端的每根天线上传输的信号是经过数字预编码和模拟预编码混合得到的信号，所述接收端仅使用数字波束成型结构，该收发实现装置实现多用户MIMO通信。

所述发射端包括依次连接的基带预编码器、数模转换器、RF预编码器、混合器和发射天线，所述接收端包括依次连接的接收天线、模数转换器和基带均衡处理器。图2更清楚地描述了该收发实现装置的具体流程，所述发射端信号先经过基带预编码器处理，消除用户间干扰和数据流间干扰形成空时流；空时流经过数模转换器(DigitalAnalogConverter，DAC)转换到模拟域；再由相移器组成的RF预编码器处理，相移器可以提高天线增益，提高抗衰落的能力；最后信号经过混合器映射到发射天线上发送；经过信道到达接收天线上的信号由模数转换器(AnalogDigitalConverter,ADC)转化为数字信号；再由基带均衡处理器处理得到相应的数据流。

下面结合具体实施例，举例说明本发明：

本发明实施例中，发射端有8根发射天线及6条射频链路，同时向2个用户发送4个数据流，空时流数为4，每个用户的接收天线数为2，接收的数据流数为2，具体参数见表1，收发机实现框图见图3。

表1参数设置

发射端采用共享型数模混合波束成型结构，有N_RF＝6条射频链路及N_BS＝8根发射天线，射频链路的开关状态可以根据空时流数进行相应的调整，当空时流数小于射频链路数时，选择4条射频链路处于连接状态，其他2条射频链路处于关闭状态，同时这2条射频链路上相移器与混合器连接的链路也处于关闭状态。发射端同时向2个用户共发射N_s＝4个数据流，每个用户接收的数据流数为2，即表示发送给第u个用户数据流数，每个用户的接收天线数为2，即表示第u个用户的接收天线数。数据流先经过基带预编码器处理后形成空时流，基带预编码矩阵F_BB的维度为4×4。

发射端根据每个用户的数据流数动态地分配每个用户相对应的射频链路数，每个用户的射频链路数λ₁＝λ₂＝2，每条射频链路与N_BS个相移器连接，相移器受硬件限制，仅有相位可调而幅度为常数。空时流由DAC转为模拟信号，模拟信号经过由模拟相移器构成的RF预编码器处理，RF预编码矩阵F_RF的维度为8×4且RF预编码矩阵的元素要满足一定的约束条件，如下式所示：

$|{\[F_{RF}\]}_{m,n}{|}^2=N_{BS}^{-1}$ (公式2)

其中，[F_RF]_m,n表示RF预编码矩阵F_RF的第m行、第n列元素，||表示取幅度值。

每一个用户对应一个波束控制矩阵，RF预编码矩阵可以表示为F_RF＝[F₁,F₂]，F_u表示第u个用户的波束控制矩阵，列数为λ_u，每一列对应一个相位控制矢量，相位控制矢量通过波束进行训练从现有RF码本中得到，码本有M个码字。用户u的波束控制矩阵F_u的获取方法具体包括以下步骤：

S1：根据分配给用户u的射频链路数λ₁＝2，从码本中随机选择2个码字组成波束控制矩阵i＝1,L,M²。

S2：发射端选择2个射频链路且令其处于连接状态，其他射频链路以及射频链路上相移器与混合器连接的链路处于关闭状态，对用户u发射相同的数据流且发射功率保持不变，依次用进行模拟波束训练。

S3：第一个用户根据接收信号的信噪比得到最佳一组码字Q，并把最佳一组码字Q的信息反馈给发射端，发射端根据用户反馈的信息，得到第一个用户的波束控制矩阵F₁。

用类似的波束训练过程求出第二个用户的波束控制矩阵F₂，则可以得到RF预编码矩阵F_RF。

经过RF预编码器处理后信号再由混合器叠加，混合器的数目等于发射天线数且一个混合器与一根发射天线连接。第i个混合器上的输出信号是所有处于连接状态条链路上的第i个相移器输出信号的叠加，叠加后的信号映射到N_BS根发射天线上发送给用户。

接收端采用数字波束成型结构，发送信号经过信道到达2个用户的接收天线上，接收信号先经过ADC把模拟信号转换为数字信号，数字信号再经过每个用户的基带均衡处理器恢复出预想得到的数据流，每个用户的基带均衡矩阵维度为2×2。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非对称共享型混合波束成型收发装置，包括发射端和接收端，其特征在于，所述发射端使用共享型数模混合波束成型结构，所述接收端仅使用数字波束成型结构，所述非对称共享型混合波束成型收发实现装置实现多用户MIMO通信。

2.根据权利要求1所述的非对称共享型混合波束成型收发装置，其特征在于，所述发射端包括依次连接的基带预编码器、数模转换器、RF预编码器、混合器和发射天线，所述接收端包括依次连接的接收天线、模数转换器和基带均衡处理器，所述发射端信号先经过基带预编码器处理，消除用户间干扰和数据流间干扰形成空时流；空时流经过数模转换器转换到模拟域，生成RF链路；再由相移器组成的RF预编码器处理，提高抗衰弱能力；最后信号经过混合器映射到发射天线上发送；经过信道到达接收天线上的信号由模数转换器转化为数字信号；再由基带均衡处理器处理得到相应的数据流。

3.根据权利要求2所述的非对称共享型混合波束成型收发装置，其特征在于，所述发射端的数模转换器生成RF链路的开关状态根据基带预编码器形成的空时流数量进行相应的调整，动态地选择条RF链路并令其处于连接状态，使连接状态的RF链路数量等于空时流数量，并且断开状态的RF链路上的相移器与混合器的连接开关也处于关闭状态。

4.根据权利要求3所述的非对称共享型混合波束成型收发装置，其特征在于，所述发射端动态地分配用户相对应的RF链路数量，分配给用户u的RF链路数为λ_u，且其中，表示发送给用户u的数据流数，N_s为发射端总的数据流数，K表示用户总数。

5.根据权利要求4所述的非对称共享型混合波束成型收发装置，其特征在于，所述发射端的RF预编码器构建RF预编码矩阵F_RF，RF预编码矩阵F_RF的维度为其中，N_BS为发射端发射天线的数量，RF预编码矩阵的元素要满足如下约束条件：

|[F_RF]_m,n|＝c

其中，c为常数，[F_RF]_m,n表示RF预编码矩阵F_RF的第m行、第n列元素，||表示取幅度。

6.根据权利要求5所述的非对称共享型混合波束成型收发装置，其特征在于，所述接收端的每一个用户对应一个波束控制矩阵，F_u表示用户u的波束控制矩阵，所述用户u的波束控制矩阵的列数为λ_u，每一列对应一个相位控制矢量，相位控制矢量通过波束进行训练从现有RF码本中得到，码本有M个码字，用户u的波束控制矩阵F_u的获取方法具体包括以下步骤：

S1：根据分配给用户u的射频链路数λ_u，从码本中随机选择λ_u个码字建立多个波束控制矩阵 表示i个波束控制矩阵；

S2：发射端选择λ_u个射频链路且令其处于连接状态，其他射频链路以及射频链路上相移器与混合器连接的链路处于关闭状态，对用户u发射相同的数据流且发射功率保持不变，依次用进行模拟波束训练；

S3：用户u根据接收信号的信噪比得到最佳一组码字Q，并把最佳一组码字Q的信息反馈给发射端，发射端根据用户反馈的信息，得到用户u的波束控制矩阵F_u。

7.根据权利要求6所述的非对称共享型混合波束成型收发装置，其特征在于，将RF预编码矩阵F_RF表示为F_RF＝[F₁,F₂,L,F_K]，其中，F₁、F₂…F_k为分别对应用户1、用户2…用户K的波束控制矩阵，利用权利要求6的方法，求出所有用户的波束控制矩阵，再根据所有用户的波束控制矩阵得到RF预编码矩阵F_RF。

8.根据权利要求7所述的非对称共享型混合波束成型收发装置，其特征在于，所述混合器的数目等于发射天线数且混合器与发射天线一一对应，第i个混合器上的输出信号是所有条射频链路上的第i个相移器输出信号的叠加，叠加后的信号映射到N_BS根发射天线上发送给用户。

9.根据权利要求8所述的非对称共享型混合波束成型收发装置，其特征在于，所述发射端发射的信号经过信道到达用户的接收天线上，信号经过模数转换器转换为数字信号后，经过基带均衡处理器恢复出个数据流，基带均衡矩阵的维度为