CN107370493B - 低精度adc与混合预编码结合的毫米波传输方法及通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了低精度模数转换（ADC）与混合预编码结合的毫米波传输方法及通信系统，其中基站和用户在波束扫描阶段采用电子开关在低精度模数转换器和混合预编码模块间切换，在精确信道估计和数据传输阶段均采用混合预编码模块。具体步骤：1、波束扫描阶段基站选通混合预编码模块，将波束训练数据模拟预编码后进行波束扫描；2、用户选通低精度模数转换器模块，从接收数据中估计角度信息；3、用户选通混合预编码模块，将波束训练数据模拟预编码后进行波束扫描或向基站反馈角度信息；4、基站选通低精度模数转换器模块，从接收数据中获取角度信息；5、精确信道估计和数据传输阶段基站和用户选通混合预编码模块，进行精确信道估计和数据传输。

Description

低精度ADC与混合预编码结合的毫米波传输方法及通信系统
技术领域
本发明涉及一种低精度模数转换器与混合预编码相结合的毫米波传输技术,属于毫米波通信技术领域。
背景技术
毫米波频段具有丰富的带宽资源，因此在无线通信领域中采用毫米波频段扩大通信带宽是提高数据传输速率的有效途径，以达到5G超过10Gbps的峰值数据速率的预想。近年来毫米波通信系统越来越多的用于点对点干线数据传输，成为移动通信领域研究开发的热点。毫米波系统相比于目前大部分的无线系统，它的载波频率是后者的数十倍，因此毫米波的自由空间路径损耗增加了数十倍。但毫米波系统利用波长短的优势，能够在较小面积内安装大规模天线阵列，大的天线阵列能够提高波束增益来对抗路径损耗，建立合适信噪比的链接。
毫米波混合信号硬件的高成本和高功耗不允许每一个天线硬件都连接射频(RF)硬件，使得毫米波信号的传输严重依赖模拟和RF信号处理。为了解决毫米波频段移动通信的硬件和功耗限制，提出了例如混合预编码模块和低精度模数转换器模块等多种新模块[，如S.Han,I.Chih-Lin等提出的“Large-scale antenna systems with hybrid analog anddigital beamforming for millimeter wave 5G”(5G毫米波中具有混合模数波束成形的大规模天线系统)，J.Mo和R.W.Health提出的“Capacity analysis of one-bit quantizedMIMO systems with transmitter channel state information”(已知发送端信道状态信息的1比特量化MIMO系统的容量分析)。但是在混合预编码模块下，由于接收到的信号要经过模拟合并的处理，且射频链路减少了，因此波束扫描及信道估计阶段的时延较大。低精度模数转换器模块也有一定的缺陷，虽然大大降低了系统功耗，但是以损失精度为代价。目前尚未有人提出将以上两者的优势相结合的方案。
本发明综合利用低精度模数转换器模块和混合预编码模块的优势，提出了一种低精度模数转换(ADC)与混合预编码结合的毫米波传输方法及通信系统。整个传输方法包括波束扫描、精确信道估计和数据传输三个阶段。在该方法中，基站端和用户端在波束扫描阶段采用电子开关在低精度模数转换器和混合预编码模块间切换，在精确信道估计和数据传输阶段均采用混合预编码模块。在波束扫描阶段发送的一方采用混合预编码模块，接收的一方采用低精度模数转换器模块获取角度信息(AoAs/AoDs)，低精度模数转换器模块具有硬件复杂度低、功耗小、成本低等优点。在精确信道估计和数据传输阶段，基站和用户均采用混合预编码模块，基站端向用户端发送导频和数据，用户端对接收到的信息进行精确信道估计和解调。该模块采用高精度模数转换器因此具有更高的可靠性，其中模拟预编码器和合并器是根据波束扫描阶段获取的角度信息进行设计。本发明提供的毫米波传输方案可以在保证数据传输可靠性的同时，显著降低波束扫描的复杂度和时延。
发明内容
发明目的：本发明目的在于提供一种低精度模数转换与混合预编码结合的毫米波传输方法及通信系统，以实现在保证数据传输可靠性的同时避免波束扫描的复杂度和时延，大大节省波束扫描的时间。
技术方案：为了实现上述目的，本发明采用如下方案：
一方面，本发明提供的一种低精度模数转换与混合预编码结合的毫米波传输方法，该传输方法分为三个阶段：波束扫描阶段、精确信道估计阶段和数据传输阶段。发送端和接收端在波束扫描阶段采用电子开关在低精度模数转换器和混合预编码模块之间切换，在精确信道估计阶段和数据传输阶段均采用混合预编码模块。整个传输过程的帧结构分为三个部分，分别是波束扫描、信道估计和数据传输，每部分之间设有保护间隔。发送端和接收端的电子开关严格受帧结构的控制，在一帧的第一部分，基站和用户中发送的一方选通混合预编码模块、接收的一方选通低精度模数转换器模块；在第二部分和第三部分基站和用户均选通混合预编码模块。开关切换时间短于保护间隔时长。
具体的传输方法按以下步骤进行：
a、在波束扫描阶段，发送端电子开关选通混合预编码模块，混合预编码模块包含由移相器构成的模拟合并器，个射频通道，其中每个射频通道携带I/Q两路高精度模数转换器，基带有Ns个数据流。发送端将波束训练数据经过数字预编码后通过射频通道传递给模拟预编码模块进行波束扫描。
b、接收端电子开关选通低精度模数转换器模块，低精度模数转换器模块包含Nr个接收天线和射频通道，每个射频通道携带I/Q两路低比特模数转换器，基带有Ns个数据流。接收端接收发送端发送的波束训练数据，并估计出角度信息，可以获取接收端接收信号的到达角(AoAs)，也可以同时获取接收端接收信号的到达角(AoAs)和发射端发射信号的离开角(AoDs)。低精度模数转换器模块接收信号后，可以利用多种方法进行角度估计，如压缩感知算法等，再从码本中查询出量化的角度信息。
c、接收端电子开关选通混合预编码模块，将波束训练数据经过数字预编码后通过射频通道传递给模拟预编码模块进行波束扫描，或者将得到的角度信息通过反馈通道反馈给发送端。其中，波束扫描中波束的方向、宽度、数量均可通过混合预编码模块中的模拟预编码矩阵来控制，通过对模拟预编码矩阵的设计可以实现多种不同的波束扫描方式。
d、发送端电子开关选通低精度模数转换器模块，接收接收端发送的数据或接收反馈通道中的数据，并获取角度信息。角度信息包括接收端接收信号的到达角(AoAs)和发送端发送信号的离开角(AoDs)；可以获取发送端发送信号的离开角(AoDs)，也可以从反馈信道中获取接收端接收信号的到达角(AoAs)和发送端发送信号的离开角(AoDs)的配对信息。角度信息确定了接收和发送的波束对的方向，利用角度信息设计模拟预编码矩阵和模拟合并矩阵可以通过精确的波束对进行通信。
e、在精确信道估计和数据传输阶段，发送端和接收端均选通混合预编码模块，根据上述步骤获得的角度信息，发送端设计模拟预编码矩阵，接收端设计模拟合并矩阵。发送端向接收端发送导频和数据，接收端对接收到的信息进行精确信道估计和解调。
另一方面，本发明提供的一种低精度模数转换与混合预编码结合的毫米波通信系统包括发射端装置和接收端装置，发射端装置和接收端装置均包括天线阵列模块、混合预编码模块、低精度模数转换器模块、信息交换模块和电子开关模块；其中：
天线阵列模块，同时与混合预编码模块、低精度模数转换器模块连接，混合预编码模块和低精度模数转换器模块共用同一个天线阵列；
混合预编码模块，用于波束扫描阶段发送波束训练数据，以及整个信道估计阶段和数据传输阶段；其中，接收端装置的混合预编码模块包含由移相器构成的模拟合并器，Nr个接收天线和个射频通道，其中每个射频通道携带I/Q两路高精度模数转换器，基带有Ns个数据流；发送端装置的混合预编码模块包含由移相器构成的模拟合并器，Nt个接收天线和个射频通道，其中每个射频通道携带I/Q两路高精度模数转换器，基带有Ns个数据流。
低精度模数转换器模块，用于波束扫描阶段接收波束训练数据、获取角度信息(AoAs/AoDs)；接收端装置的低精度模数转换器模块包含Nr个接收天线和射频通道，每个射频通道携带I/Q两路低比特模数转换器，基带有Ns个数据流；发送端装置的低精度模数转换器模块包含Nt个发送天线和射频通道，每个射频通道携带I/Q两路低比特模数转换器，基带有Ns个数据流。
信息交换模块，用于混合预编码模块和低精度模数转换器模块之间信息相互交换，需要交换的信息包括低精度模数转换器模块获取的角度信息、信道径数等粗糙信道估计信息；
电子开关模块，严格受帧结构控制，用于控制该装置在混合预编码模块和低精度模数转换器模块之间切换。在一帧的第一部分波束扫描阶段，基站和用户中发送一方的电子开关选通混合预编码模块、接收一方的电子开关选通低精度模数转换器模块。在一帧的第二部分精确信道估计阶段和第三部分数据传输阶段，基站和用户的电子开关均选通混合预编码模块。开关切换时间短于保护间隔时长。
有益效果：本发明提供的一种低精度模数转换器与混合预编码相结合的毫米波传输方法及通信系统，具有如下优点：
1、现有毫米波传输方案只有接收端和发送端全部采用混合预编码模块，或者全部采用低精度模数转换器模块，没有在混合预编码模块和低精度模数转换器模块之间切换工作的方案，该方案在本发明中第一次提出。
2、在现有的全部采用混合预编码模块进行传输的方案中，波束扫描需要发送端和接收端来回多次反馈，浪费时间资源，不适用于信道快速变化的场景。并且现有的全部采用低精度模数转换器模块进行传输的方案损失精度的代价过大。本方案将低精度模数转换器模块的快速性和混合预编码模块的精确性相结合，在保证数据传输可靠性的同时避免波束扫描的复杂度和时延。
3、本方案可以选择不同的波束扫描方式，其中反馈通道也可以根据实际情况选择使用，大大节省波束扫描的时间和反馈难度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种低精度模数转换器与混合预编码相结合的毫米波传输方法的流程图。
图2为本发明实施例提供的一种低精度模数转换器与混合预编码相结合的毫米波通信系统模块图。
图3为本发明实施例提供的一种低精度模数转换器与混合预编码相结合的毫米波传输方法帧结构图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定的系统结构之类的具体细节，以便透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。
本文中描述的方案可用于各种毫米波通信系统，包括时分双工(TDD)和频分双工(FDD)等。本文所述的基站端和用户端适用于描述任意发送接收对。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图进行详细描述。本发明实施例提供的低精度模数转换器与混合预编码相结合的毫米波传输方法，如图1所示，该方法包括：
步骤101：在波束扫描阶段，基站端电子开关选通混合预编码模块，将波束训练数据经过数字预编码后通过射频通道传递给模拟预编码模块进行波束扫描。
需要说明的是，基站端电子开关选通混合预编码模块，基站端Ns个训练数据经过数字预编码后通过个射频通道传递给模拟预编码模块，设计模拟预编码模块进行波束扫描，最后经由Nt个发送天线发送给用户端。波束扫描的方式可以采取全波束扫描、单波束扫描或者特定波束扫描，通过设计相应的模拟预编码矩阵改变波束扫描的方式。具体可参考O.El Ayach,S.Rajagopal等的文献“Spatially sparse precoding in millimeterwave MIMO systems”(毫米波MIMO系统空间稀疏预编码)。
步骤102：用户端电子开关选通低精度模数转换器模块，接收基站端发送的训练数据，并估计出角度信息。
需要说明的是，采用有限径角度量化信道模型其中，和为量化矩阵，为角度域等效信道矩阵，Gr和Gt分别为用户端与基站端的量化维度，Ha中元素的位置包含角度信息。量化的角度集合为其中其他满足则基站端量化角度集合为用户端量化角度集合为因此 其中为基站端天线阵列舵响应矢量，为用户端天线阵列舵响应矢量，其中d为天线间距，λ为传输波长。经过有限径毫米波信道后，用户端电子开关选通低精度模数转换器模块，Nr个接收天线将接收数据传递给Nr个携带低精度模数转换器(1～3-bit ADC)的射频通道，得到Nr个量化的训练数据。从量化的训练数据中估计出该信道估计是为了获取角度信息的粗糙信道估计，具体可参考J.Lee,G.T.Gil等的文献“Channel estimation viaorthogonalmatching pursuit for hybrid MIMO systems in millimeter wavecommunications”(毫米波通信中混合MIMO系统正交匹配信道估计方法)。码本中预先存放了量化的角度信息，根据中有效元素的索引，在码本中可以查询对应的角度信息。
步骤103：用户端电子开关选通混合预编码模块，将波束训练数据经过数字预编码后通过射频通道传递给模拟预编码模块进行波束扫描或者将得到的角度信息反馈给基站端。
需要说明的是，用户端电子开关选通混合模块，在Ns个时隙中向基站端传输训练序列，利用上一步获得的角度信息设计模拟预编码矩阵，将训练数据经过数字预编码后通过射频通道传递给模拟预编码模块进行相应波束扫描。或者利用反馈通道，将以上获得的全部角度信息反馈给基站端。
步骤104：基站端电子开关选通低精度模数转换器模块接收用户端发送的数据，并获取角度信息。对于基站端接收到的波束训练数据的情况，基站端按照与步骤102相似的方法进行粗糙信道估计，获取角度信息。对于基站端接收到的反馈通道传输的数据的情况，基站端将直接获得全部的角度信息。
步骤105：在精确信道估计和数据传输阶段，基站和用户均选通混合预编码模块，根据上述步骤获得的角度信息，基站端设计模拟预编码矩阵，用户端设计模拟合并矩阵。基站端向用户端发送导频和数据，用户端对接收到的信息进行精确信道估计和解调。
需要说明的是，量化矩阵的行与基站端发送信号的离开角(AoDs)相对应，量化矩阵Ar的列与用户端接收信号的到达角(AoAs)相对应。依据波束扫描阶段得到的角度信息，抽取量化矩阵和Ar与角度信息相应的行和列得到其子集和其中作为基站端的模拟预编码矩阵，作为用户端的模拟合并矩阵。当基站端发送导频数据时，用户端经过模拟合并矩阵后接收到信号，再利用最小二乘(LS)信道估计的方法将信道精确地估计出来。当基站端发送数据时，用户端经过模拟合并矩阵后接收到信号，再利用上一步精确信道估计得到的信道矩阵解调出原始数据。
如图2所示，本发明实施例公开的一种低精度模数转换器与混合预编码相结合的毫米波通信系统，包括发射端装置和接收端装置，发射端装置和接收端装置均包括天线阵列模块、混合预编码模块、低精度模数转换器模块、信息交换模块和电子开关模块。
天线阵列模块，同时与混合预编码模块、低精度模数转换器模块连接，混合预编码模块和低精度模数转换器模块共用同一个天线阵列；
混合预编码模块，用于波束扫描阶段发送波束训练数据，以及整个信道估计阶段和数据传输阶段；其中，接收端装置的混合预编码模块包含由移相器构成的模拟合并器，Nr个接收天线和个射频通道，其中每个射频通道携带I/Q两路高精度模数转换器，基带有Ns个数据流；发送端装置的混合预编码模块包含由移相器构成的模拟合并器，Nt个接收天线和个射频通道，其中每个射频通道携带I/Q两路高精度模数转换器，基带有Ns个数据流。
低精度模数转换器模块，用于波束扫描阶段接收波束训练数据、获取角度信息(AoAs/AoDs)；接收端装置的低精度模数转换器模块包含Nr个接收天线和射频通道，每个射频通道携带I/Q两路低比特模数转换器，基带有Ns个数据流；发送端装置的低精度模数转换器模块包含Nt个发送天线和射频通道，每个射频通道携带I/Q两路低比特模数转换器，基带有Ns个数据流。
信息交换模块，用于混合预编码模块和低精度模数转换器模块之间信息相互交换，需要交换的信息包括低精度模数转换器模块获取的角度信息等粗糙信道估计信息,不仅限于角度信息，还可以包括信道径数等；
电子开关模块，严格受帧结构控制，用于控制该装置在混合预编码模块和低精度模数转换器模块之间切换。在一帧的第一部分波束扫描阶段，基站和用户中发送一方的电子开关选通混合预编码模块、接收一方的电子开关选通低精度模数转换器模块。在一帧的第二部分精确信道估计阶段和第三部分数据传输阶段，基站和用户的电子开关均选通混合预编码模块。开关切换时间短于保护间隔时长。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种低精度模数转换与混合预编码结合的毫米波传输方法，包括波束扫描、精确信道估计和数据传输三个阶段，其特征在于，在波束扫描阶段，发送端和接收端分别采用电子开关在低精度模数转换器模块和混合预编码模块之间切换，发送波束训练数据的一方采用混合预编码模块，接收的一方采用低精度模数转换器模块获取角度信息；在精确信道估计和数据传输阶段发送端和接收端均采用混合预编码模块；所述传输方法包括以下步骤：
(1)在波束扫描阶段，发送端电子开关选通混合预编码模块，将波束训练数据经过数字预编码后通过射频通道传递给模拟预编码模块进行波束扫描；
(2)接收端电子开关选通低精度模数转换器模块，接收发送端发送的训练数据，并估计出角度信息；
(3)接收端电子开关选通混合预编码模块，将波束训练数据经过数字预编码后通过射频通道传递给模拟预编码模块进行波束扫描或者将得到的角度信息反馈给发送端；
(4)发送端电子开关选通低精度模数转换器模块，接收接收端发送的训练数据或接收反馈通道中的数据，并获取角度信息；
(5)在精确信道估计和数据传输阶段，发送端和接收端均选通混合预编码模块，根据上述步骤(2)和(4)获得的角度信息，发送端设计模拟预编码矩阵，接收端设计模拟合并矩阵；发送端向接收端发送导频和数据，接收端对接收到的信息进行精确信道估计和解调。
2.根据权利要求1所述的一种低精度模数转换与混合预编码结合的毫米波传输方法，其特征在于，整个传输过程的帧结构分为三个部分，分别是波束扫描、信道估计和数据传输，每部分之间设有保护间隔；发送端和接收端的电子开关严格受帧结构的控制，在一帧的第一部分，发送端和接收端中发送的一方选通混合预编码模块、接收的一方选通低精度模数转换器模块；在第二部分和第三部分发送端和接收端均选通混合预编码模块；电子开关的切换时间短于保护间隔时长。
3.根据权利要求1所述的一种低精度模数转换与混合预编码结合的毫米波传输方法，其特征在于，步骤(1)或步骤(3)的波束扫描中波束的方向、宽度、数量均通过混合预编码模块中的模拟预编码矩阵来控制，波束扫描方式包括全波束扫描、单波束扫描或者特定波束扫描。
4.根据权利要求1所述的一种低精度模数转换与混合预编码结合的毫米波传输方法，其特征在于，步骤(2)中根据低精度模数转换器模输出的接收信号进行角度估计，再从码本中查询出量化的角度信息。
5.根据权利要求1所述的一种低精度模数转换与混合预编码结合的毫米波传输方法，其特征在于，角度信息包括接收端接收信号的到达角(AoAs)和/或发射端发射信号的离开角(AoDs)。
6.一种低精度模数转换与混合预编码结合的毫米波通信系统，包括发射端装置和接收端装置，其特征在于，发射端装置和接收端装置均包括天线阵列模块、混合预编码模块、低精度模数转换器模块、信息交换模块和电子开关模块；天线阵列模块同时与混合预编码模块、低精度模数转换器模块连接；混合预编码模块用于波束扫描阶段发送波束训练数据、整个信道估计阶段和数据传输阶段；低精度模数转换器模块用于波束扫描阶段接收波束训练数据、获取角度信息；信息交换模块用于混合预编码模块和低精度模数转换器模块之间信息相互交换；电子开关模块用于控制所在发射端装置或接收端装置在混合预编码模块和低精度模数转换器模块之间切换。
7.根据权利要求6所述的一种低精度模数转换与混合预编码结合的毫米波通信系统，其特征在于，接收端装置的混合预编码模块包含由移相器构成的模拟合并器，Nr个接收天线和个射频通道，其中每个射频通道携带I/Q两路高精度模数转换器，基带有Ns个数据流；发送端装置的混合预编码模块包含由移相器构成的模拟合并器，Nt个接收天线和个射频通道，其中每个射频通道携带I/Q两路高精度数模转换器，基带有Ns个数据流。
8.根据权利要求6所述的一种低精度模数转换与混合预编码结合的毫米波通信系统，其特征在于，接收端装置的低精度模数转换器模块包含Nr个接收天线和射频通道，每个射频通道携带I/Q两路低比特模数转换器；发送端装置的低精度模数转换器模块包含Nt个发送天线和射频通道，每个射频通道携带I/Q两路低比特模数转换器。
9.根据权利要求6所述的一种低精度模数转换与混合预编码结合的毫米波通信系统，其特征在于，信息交换模块交换的信息包括低精度模数转换器模块获取的粗糙信道估计信息，所述粗糙信道估计信息包括角度信息。
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