CN105429686A - 分离型非对称混合波束成型的传输装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高频段多输入多输出通信系统的分离型非对称混合波束成型装置及方法。发射机采用分离型数字模拟混合波束成型，数据流经过数字预编码映射到不同射频链路，每一个射频链路分别采用不同的相移器处理模块来实现该射频链路的模拟波束成型，利用相控天线阵列的阵列增益，抵抗信道衰落；接收机采用全数字接收，能在合理的接收机复杂度下充分利用模拟波束成型的阵列、分集增益和数字波束成型的复用、分集增益，提高系统性能。

Description

分离型非对称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，特别涉及一种适用于高频段多输入多输出系统的分离型非对称混合波束成型的传输装置及方法。该传输装置及方法采用发射机分离型数字模拟混合波束成型发送，接收机全数字接收的非对称波束成型方案，能在合理的接收机复杂度下充分利用模拟波束成型的阵列、分集增益和数字波束成型的复用、分集增益，提高系统性能。

背景技术

面向2020年及未来移动通信技术和产业将迈入第五代移动通信(5G)的发展阶段，中国在IMT-2020(5G)网络技术架构白皮书中提出100Mbps-1Gbps的数据速率指标。为了实现超高速率的传输，大规模MIMO技术和毫米波通信是未来5G通信领域的关键技术。

毫米波通信带来许多新的问题，其中波束成型方案的设计是研究重点之一。在毫米波通信中，大规模天线阵列由于体积小易于封装，使其能够实现高预编码增益。然而，大规模混合信号使得数字预编码变得相当困难。同时，设计预编码矩阵通常需要完全或者部分信道状态信息，由于毫米波通信天线数多且信噪比较低，这在波束成型之前很难获得所需的信道状态信息。

为了克服射频硬件的约束，提出了模拟波束成型解决方案。其主要思想是利用相移器去控制每根天线所传输信号的相位，发射端在不需要信道信息的情况下通过波束训练算法来设计模拟波束成型权重。模拟波束成型在一定程度上降低了复杂度，但是发送的并行流不能获得复用增益，且当多个用户距离较近时会引起严重的用户间干扰。

为了获得更大的增益以及对多个数据流进行预编码，在毫米波通信中提出了数模混合波束成型。采用数模混合波束成型可以在减少射频链路数的同时保证系统性能。然而目前的毫米波混合波束成型通信系统多采用对称式的，即发射机和接收机均采用混合波束成型方案，这在多用户场景中接收机的复杂度高代价大。

发明内容

发明目的：为了同时利用模拟波束成型的阵列、分集增益和数字波束成型的复用、分集增益，高频段多输入多输出(MIMO：MultipleInputMultipleOutput)无线通信系统多采用发射机接收机对称的混合波束成型方案，在多用户场景中，显著增加接收机复杂度及系统开销。考虑现有技术的不足，针对高频段多用户MIMO(MU-MIMO：Multi-userMultipleInputMultipleOutput)无线通信系统，本发明提供一种发射机采用分离型数字模拟混合波束成型，接收机采用全数字接收的非对称波束成型装置及方法，能在合理的接收机复杂度下充分利用模拟波束成型的阵列、分集增益和数字波束成型的复用、分集增益，提高系统性能。

技术方案：一种适用于高频段MU-MIMO无线通信系统的分离型非对称混合波束成型的传输装置，包括发射机和接收机，发射机包括数据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模块，其中基带信号处理模块与N_RF个射频链路模块连接，射频链路模块与相控发射天线阵列连接，连接的方式为分离型，每个射频链路模块连接有M根射频天线，每一射频天线均有一相移控制器；在接收端有K个用户，每个用户有独立的接收机且每个接收机有一个基带信号处理模块，用户k有根全向天线，所有用户天线总数为

发射机采用分离型数字模拟混合波束成型，基带信号处理模块实现数字波束成型，将N_data路数据流映射到N_RF个射频链路上，实现复用增益和分集增益。对于每一个射频链路，通过其上的M根射频天线分别采用不同的相移来实现该射频链路的模拟波束成型，从而利用相控天线阵列的阵列增益和分集增益，抵抗信道衰落。

发射机实现数字模拟混合波束成型的具体流程为：将要发射的N_data路数据流输入基带信号处理模块进行数字预编码，输出N_RF路数字信号，N_RF路数字信号分别传递给N_RF个射频链路。在每一个射频链路，数字信号经过数模转换转换成模拟信号，并调制至高频后经相位控制器进行相位调整后通过M根射频天线发射出去，从而实现该路信号的模拟波束成型。

接收机采用全数字接收，用户k通过全向天线接收到路高频信号，每一路信号解调至低频信号后经过模数转换转换成数字信号，将这路数字信号输入基带信号处理模块进行解数字预编码，从而恢复发送给其的数据。

一种适用于上述高频段MU-MIMO无线通信系统中分离型非对称混合波束成型的传输装置的传输方法，具体步骤如下：

步骤一：发射端，发射机发射模拟波束成型训练序列；接收端，每个用户选择最佳的模拟波束成型图案并且反馈给发射机，发射机确定每个发射链路的模拟波束成型码字。

假设发射机的每个相控天线子阵列共享同一个模拟波束训练码本，且包含N_PA个码字。发射机依次从第1个相控天线子阵列到第N_RF个相控天线子阵列进行模拟波束码本训练。第i个相控天线子阵列进行波束训练时，发射机依次以码本中的所有码字对所有用户广播相同的数据且发射功率保持不变，接收端的所有用户采用全向接收，每个用户通过接收到的信号质量判断得到第i个相控天线子阵列向其波束成型发射时的最佳码字的序号，并将该码字序号反馈给发射机。按照以上流程依次完成从第1个相控天线子阵列到第N_RF个相控天线子阵列的模拟波束码本训练。发射机根据模拟波束码本训练的结果确定每个发射链路的模拟波束成型码字，将发射链路i(1≤i≤N_RF)的模拟波束成型码字向量记为

步骤二：发射机使用步骤一得到的模拟波束成型方案发送信道估计训练序列，用户估计数字域等效信道H_eff并反馈给发送端。

具体方法为：发射机发送已知的训练序列，发送训练序列时每个射频链路使用步骤一选择的模拟波束码字进行模拟波束成型，数字域不做波束成型，接收端通过训练序列进行信道估计，此时估计出的信道即为数字域的等效信道H_eff。

步骤三：发射机根据步骤二得到的数字域等效信道H_eff确定数字预编码矩阵F_BB，用户k根据步骤二得到的数字域等效信道H_eff确定解数字预编码矩阵

步骤四：发射机将数据流通过数字波束成型和模拟波束成型发送给用户。

设发射机要发送的数据s是一个N_data×1维向量，并且由发送给各用户的数据组成，即s＝[s₁ ^T,...,s_k ^T,...,s_K ^T]^T。其中，s_k是发送给用户k的数据向量，是一个维向量。s经过数字预编码得到数字域发送信号x，是一个N_RF×1维向量。

$x=F_{BB}s={\[x_1,x_2,...,x_{N_{RF}}\]}^T---\left(1\right)$

N_RF维数字信号分别传给N_RF路射频链路，每一个射频链路通过其上连接的M根天线的相移来进行模拟波束成型，其中发射链路i(1≤i≤N_RF)的模拟波束成型码字向量为发射链路i(1≤i≤N_RF)的天线子阵列发射的信号整个发射机相控天线阵列发送的信号。

步骤五：用户对接收到的数据做数字解预编码，恢复发送给其的信号。

用户k(1≤k≤K)对接收到的信号r_k进行接收机解数字预编码，恢复出发送给其的数据。

${\tilde{s}}_k=W_{BB}^k\·r_k---\left(2\right)$

其中是用户k(1≤k≤K)的解数字预编码矩阵。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：发射机混合波束成型，能够同时利用模拟波束成型的阵列、分集增益和数字波束成型的复用、分集增益，提高系统性能。接收机全数字接收，能利用数字波束成型的复用、分集增益，且能很好地适用于多用户场景，降低系统接收机复杂度。

附图说明

图1为本发明方法所对应的分离型非对称混合波束成型收发机框图；

图2为本发明方法的总体流程框图。

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，适用于高频段MU-MIMO无线通信系统的分离型非对称混合波束成型的传输装置，包括发射机和接收机，发射机包括数据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模块，其中基带信号处理模块与N_RF个射频链路模块连接，射频链路模块与相控发射天线阵列连接，连接的方式为分离型，每个射频链路模块连接有M根射频天线，每一射频天线均有一相移控制器；在接收端有K个用户，每个用户有独立的接收机且每个接收机有一个基带信号处理模块，用户k有根全向天线，接收端所有用户天线总数为

发射机采用分离型数字模拟混合波束成型，基带信号处理模块实现数字波束成型，将N_data路数据流映射到N_RF个射频链路上，实现复用增益。对于每一个射频链路，通过其上的M根射频天线分别采用不同的相移来实现该射频链路的模拟波束成型，从而利用相控天线阵列的阵列增益和分集增益，抵抗信道衰落。

发射机实现数字模拟混合波束成型的具体流程为：将要发射的N_data路数据流输入基带信号处理模块进行数字预编码，输出N_RF路数字信号，N_RF路数字信号分别传递给N_RF个射频链路。在每一个射频链路，数字信号经过数模转换转换成模拟信号，并调制至高频后经相位控制器进行相位调整后通过M根射频天线发射出去，从而实现该路信号的模拟波束成型。

接收机采用全数字接收，用户k通过全向天线接收到路高频信号，每一路信号解调至低频信号后经过模数转换转换成数字信号，将这路数字信号输入基带信号处理模块进行解数字预编码，从而恢复发送给其的数据。

下面以一拥有4个射频链路的发射机、4个接收用户的系统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子阵列的天线数为8，每个用户的天线数为2。考虑4个数据流的发送方案，如图2所示，具体实施如下：

步骤一：发射端，发射机发射模拟波束成型训练序列；接收端，每个用户选择最佳的模拟波束成型图案并且反馈给发射机，发射机确定每个发射链路的模拟波束成型码字。

假设发射机的每个相控天线子阵列共享同一个模拟波束训练码本，且包含N_PA个码字。发射机依次从第1个相控天线子阵列到第4个相控天线子阵列进行模拟波束码本训练。第i个相控天线子阵列进行波束训练时，发射机依次以码本中的所有码字对所有用户广播相同的数据且发射功率保持不变，接收端的所有用户采用全向接收，每个用户通过接收到的信号质量判断得到第i个相控天线阵列向其波束成型发射时的最佳码字的序号，并将该码字序号反馈给发射机。按照以上流程依次完成从第1个相控天线子阵列到第4个相控天线子阵列的模拟波束码本训练。发射机根据模拟波束码本训练的结果确定每个发射链路的模拟波束成型码字，将发射链路i(1≤i≤4)的模拟预编码码字向量记为

步骤二：发射机使用步骤一得到的模拟波束成型方案发送信道估计训练序列，用户估计数字域等效信道H_eff并反馈给发送端。

具体方法为：发射机发送已知的训练序列，发送训练序列时每个射频链路使用步骤一选择的模拟波束码字进行模拟波束成型，数字域不做波束成型，接收端通过训练序列进行信道估计，此时估计出的信道即为数字域的等效信道H_eff。

步骤三：发射机根据步骤二得到的数字域等效信道H_eff确定数字预编码矩阵F_BB，用户k根据步骤二得到的数字域等效信道H_eff确定解数字预编码矩阵

步骤四：发射机将4路数据流通过数字波束成型和模拟波束成型发送给用户。

发射机要发送的数据s是一个4×1的向量，并且由发送给各用户的数据组成。s经过4×4的数字预编码矩阵得到数字域发送信号x，是一个4×1向量。

x＝F_BBs＝[x₁,x₂,x₃,x₄]^T(1)

4维数字信号分别传给4路射频链路，每一个射频链路通过其上连接的8根天线的相移来进行模拟波束成型，其中发射链路i(1≤i≤4)的模拟预编码码字向量为发射链路i(1≤i≤4)的天线子阵列发射的信号是一个8×1向量，整个发射机相控天线阵列发送的信号t＝[t₁ ^T,t₂ ^T,t₃ ^T,t₄ ^T]^T是一个32×1向量。

步骤五：用户对接收到的数据做数字解预编码，恢复发送给其的信号。

用户k(1≤k≤4)对接收到的信号r_k进行接收机解数字预编码，恢复出发送给其的数据。

${\tilde{s}}_k=W_{BB}^k\·r_k---\left(2\right)$

其中是用户k(1≤k≤4)的解数字预编码矩阵。

Claims (8)

1.一种分离型非对称混合波束成型的传输装置，适用于高频段MU-MIMO无线通信系统，包括发射机和接收机；其特征在于：发射机包括数据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模块，其中基带信号处理模块与N_RF个射频链路模块连接，射频链路模块与相控发射天线阵列连接，连接的方式为分离型，每个射频链路模块连接有M根射频天线，每一射频天线均有一相移控制器；在接收端有K个用户，每个用户有独立的接收机且每个接收机有一个基带信号处理模块，用户k有根全向天线，所有用户天线总数为

发射机采用分离型数字模拟混合波束成型，基带信号处理模块实现数字波束成型，将N_data路数据流映射到N_RF个射频链路上，实现复用增益和分集增益；对于每一个射频链路，通过其上的M根射频天线分别采用不同的相移来实现该射频链路的模拟波束成型，从而利用相控天线阵列的阵列增益和分集增益，抵抗信道衰落。接收机采用全数字接收。

2.如权利要求1所述的分离型非对称混合波束成型的传输装置，其特征在于：发射机实现数字模拟混合波束成型的具体流程为：将要发射的N_data路数据流输入基带信号处理模块进行数字预编码，输出N_RF路数字信号，N_RF路数字信号分别传递给N_RF个射频链路；在每一个射频链路，数字信号经过数模转换转换成模拟信号，并调制至高频后经相位控制器进行相位调整后通过M根射频天线发射出去，从而实现该路信号的模拟波束成型。

3.如权利要求1所述的分离型非对称混合波束成型的传输装置，其特征在于：接收机采用全数字接收，用户k通过全向天线接收到路高频信号，每一路信号解调至低频信号后经过模数转换转换成数字信号，将这路数字信号输入基带信号处理模块进行解数字预编码，从而恢复发送给其的数据。

4.一种适用于权利要求1-3任意一项分离型非对称混合波束成型的传输装置的传输方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一：发射端，发射机发射模拟波束成型训练序列；接收端，每个用户选择最佳的模拟波束成型图案并且反馈给发射机，发射机确定每个发射链路的模拟波束成型码字。

步骤二：发射机使用步骤一得到的模拟波束成型方案发送信道估计训练序列，用户估计数字域等效信道H_eff并反馈给发送端；

步骤三：发射机根据步骤二得到的数字域等效信道H_eff确定数字预编码矩阵F_BB，用户k根据步骤二得到的数字域等效信道H_eff确定解数字预编码矩阵

步骤四：发射机将数据流通过数字波束成型和模拟波束成型发送给用户；

步骤五：用户对接收到的数据做数字解预编码，恢复发送给其的信号。

5.如权利要求4所述的分离型非对称混合波束成型的传输方法，其特征在于，步骤一中，假设发射机的每个相控天线子阵列共享同一个模拟波束训练码本，且包含N_PA个码字；发射机依次从第1个相控天线子阵列到第N_RF个相控天线子阵列进行模拟波束码本训练；第i个相控天线子阵列进行波束训练时，发射机依次以码本中的所有码字对所有用户广播相同的数据且发射功率保持不变，接收端的所有用户采用全向接收，每个用户通过接收到的信号质量判断得到第i个相控天线子阵列向其波束成型发射时的最佳码字的序号，并将该码字序号反馈给发射机。按照以上流程依次完成从第1个相控天线子阵列到第N_RF个相控天线子阵列的模拟波束码本训练。发射机根据模拟波束码本训练的结果确定每个发射链路的模拟波束成型码字，将发射链路i(1≤i≤N_RF)的模拟预编码码字向量记为

6.如权利要求4所述的分离型非对称混合波束成型的传输方法，其特征在于，步骤二的具体实现为：发射机发送已知的训练序列，发送训练序列时每个射频链路使用步骤一选择的模拟波束码字进行模拟波束成型，数字域不做波束成型，接收端通过训练序列进行信道估计，此时估计出的信道即为数字域的等效信道H_eff。

7.如权利要求4所述的分离型非对称混合波束成型的传输方法，其特征在于，步骤四的具体实现为：发射机将数据流通过数字波束成型和模拟波束成型发送给用户：

设发射机要发送的数据s是一个N_data×1维向量，并且由发送给各用户的数据组成，即s＝[s₁ ^T,...,s_k ^T,...,s_K ^T]^T。其中，s_k是发送给用户k的数据向量，是一个维向量。s经过数字预编码得到数字域发送信号x，是一个N_RF×1维向量。

N_RF维数字信号分别传给N_RF路射频链路，每一个射频链路通过其上连接的M根天线的相移来进行模拟波束成型，其中发射链路i(1≤i≤N_RF)的模拟预编码码字向量为发射链路i(1≤i≤N_RF)的天线子阵列发射的信号整个发射机相控天线阵列发送的信号

8.如权利要求4所述的分离型非对称混合波束成型的传输方法，其特征在于，步骤五中用户k对接收到的信号r_k进行接收机解数字预编码，恢复出发送给其的数据；

其中是用户k(1≤k≤K)的解数字预编码矩阵。