CN108832981A - 混合波束成形传输方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合波束成形传输方法和系统，其中方法包括：发送端基站的多根第一天线通过第一部分连接子阵连接到多条第一射频链路并服务于单个接收端设备；接收端设备配备的多根第二天线通过第二部分连接子阵连接到多条第二射频链路，每条第二射频链路连接互不相同的一个第二部分连接子阵上的一根或多根第二天线；发送端基站与接收端设备进行联合波束训练，确定模拟加权系数矩阵以及数字加权系数矩阵，基于模拟加权矩阵以及数字加权矩阵进行数据的下行链路传输；本发明的方法和系统，能够基于部分连接子阵的混合波束成形结构提供有效的单用户多数据流传输方案，拥有良好的性能，降低硬件的复杂度，能够有效保证频谱效率并提高能量效率。

Description

混合波束成形传输方法和系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种混合波束成形传输方法和系统。
背景技术
随着移动终端的日益普及和移动互联网业务的迅猛发展，对于5G移动通信系统的容量和传输速率有了更高的期望和要求，毫米波高频通信受到业界的广泛的关注。由于毫米波的波长较短，设备可以配备上百根天线单元构成大规模天线阵列(massive MIMO)，进而极大地提高频谱效率。然而，在实际运用中，高频射频单元的工艺较为复杂，同时大规模信号的模拟数字转换会带来大量的能量消耗(特别是对于高频器件)，后续数字信号处理的复杂度也会随着射频单元的增加而迅速上升。
传统的纯数字域波束成形需要为每根天线配备一条独立的射频链路，可以提供足够的自由度，从而大幅提高通信系统的性能，但随着天线数量的急剧上升，射频单元的能耗与处理的复杂度也大大增加。传统的纯模拟域波束成形将所有的天线单元分别经过移相器连接至同一条射频链路上，结构简单易实现，同时也大大降低了设备的能耗，但是由于只存在一条射频链路，通信的自由度大大降低，导致系统性能大打折扣。对于数字模拟混合的发射机/接收机结构，大规模的射频天线单元通过全连接(自适应子阵结构，每条射频链路与所有天线单元相连)或部分连接(固定子阵结构，每条射频链路仅连接部分天线单元)的方式与少量射频链路相连，收发机内的整条信号通路可分为两个部分：射频链路部分(大规模天线构成的模拟前端)以及数字处理部分(少量射频单元组成的数字后端)。模拟数字两者的结合保证系统只需要少量的数字模拟转换单元，从而数字域的转换能耗以及处理复杂度大大降低，同时，还可以通过模拟域的大规模天线阵进行有效的模拟波束成形来弥补信号传播过程中的路径损耗。但是，目前对于采用部分连接方式的混合波束成形缺乏有效解决方案，采用部分连接的结构上的变化使得原本适用于全连接的混合波束成形算法在部分连接子阵下变得不可行，因此，需要寻求新的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种混合波束成形传输方法和系统。
根据本发明的一个方面，提供一种混合波束成形传输方法，包括：发送端基站配备多根第一天线，所述多根第一天线通过多个第一部分连接子阵连接到多条第一射频链路并服务于单个接收端设备，其中，每条第一射频链路连接互不相同的一个第一部分连接子阵上的一根或多根第一天线；接收端设备配备多根第二天线，所述多根第二天线通过多个第二部分连接子阵连接到多条第二射频链路，每条第二射频链路连接互不相同的一个第二部分连接子阵上的一根或多根第二天线；所述发送端基站与所述接收端设备进行联合波束训练，确定模拟加权系数矩阵以及数字加权系数矩阵，其中，模拟加权系数矩阵包括：模拟合并矩阵和模拟预编码矩阵，数字加权系数包括数字合并矩阵和数字预编码矩阵；所述发送端基站与所述接收端设备基于所述模拟加权矩阵以及所述数字加权矩阵进行数据的下行链路传输。
可选地，所述多根第一天线的数量为NBS，所述多条第一射频链路的数量为MBS，每条第一射频链路连接NMASK_BS根第一天线；所述多根第二天线的数量为NMS，所述多条第二射频链路的数量为MMS，每条第二射频链路连接NMASK_MS根第二天线，所述多条数据流通道的数量为NS；其中，满足NS≤MBS≤NBS和NS≤MMS≤NMS，NBS＝NMASK_BSMBS，NMS＝NMASK_MSMMS。
可选地，所述发送端基站与所述接收端设备基于所述模拟加权矩阵以及所述数字加权矩阵进行数据的下行链路传输包括：所述发送端基站确定数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵；所述发送端基站将原始发送信号经过对角功率分配矩阵进行功率分配并依次经过所述数字预编码矩阵和所述模拟预编码矩阵进行处理，将处理后的信号通过第一天线发送至无线信道中；所述接收端设备通过所述第二天线接收到所述无线信道中的信号，将此信号依次经过模拟合并矩阵和数字合并矩阵后发送给所述数据流通道；其中，所述模拟预编码矩阵
其中，所述模拟预编码矩阵FRF中的元素i∈{1,…,MBS}表示第i个第一部分连接子阵的非零预编码加权向量，其中C为复数集合；所述模拟合并矩阵
其中，所述模拟合并矩阵WRF中的元素i∈{1,…,MMS}表示用户第i个第二部分连接子阵的非零合并加权向量。
可选地，所述确定模拟加权系数矩阵以及数字加权系数矩阵包括：所述接收端设备确定模拟合并矩阵WRF，确定并向所述发送端基站反馈模拟预编码矩阵FRF；所述接收端设备确定等效基带信道所述接收端设备基于所述等效基带信道确定数字合并矩阵WBB和数字预编码矩阵FBB，并向所述发送端基站反馈FBB；所述接收端设备和所述发送端基站利用WRF和WBB以及FRF和FBB传输信号。
可选地，所述接收端设备确定模拟合并矩阵WRF、确定并向所述发送端基站反馈模拟预编码矩阵FRF包括：所述发送端基站打开全部第一部分连接子阵，使用全部所述第一射频链路并采用全向天线模式发送全向波束参考信号至所述接收端设备；所述接收端设备逐一打开前n个第二部分连接子阵，使用前n个所述第二射频链路接收所述全向波束参考信号，遍历模拟预合并码本进行接收；当采用第i个码字Wi作为第n个第二部分子阵的天线加权系数接收时，利用波束参考信号计算等效基带信道传输容量其中记录使最大的Wi，确定第n个第二部分子阵的天线加权系数为获得接收端模拟合并矩阵
所述发送端基站依次打开前m个子阵，使用前m条所述第一射频链路遍历模拟预编码码本集合中的全部波束向量发送波束参考信号；其中，m＝1,…MBS；
所述接收端设备利用已经确定的WRF进行定向接收，当接收到采用第j个码字Fj作为第m个第一部分连接子阵的天线加权系数的发送信号时，利用波束参考信号计算等效基带信道传输容量其中记录使最大的Fi并反馈给所述发送端基站；所述发送端基站确定第m个第一部分连接子阵的天线加权系数为获得发送端模拟预编码矩阵；
可选地，所述接收端设备确定数字合并矩阵WBB和数字预编码矩阵FBB、并向所述发送端基站反馈FBB包括：所述发送端基站利用FRF发送波束参考信号，所述接收端设备根据波束参考信号确定等效基带信道所述接收端设备对进行SVD分解，其中， 为矩阵的左奇异向量，为矩阵的右奇异向量；所述接收端设备确定接收端数字合并矩阵WBB为的前Ns列，确定发送端数字预编码矩阵FBB为的前Ns列；所述接收端设备将FBB反馈到所述发送端基站。
根据本发明的另一方面，提供一种混合波束成形传输系统，包括：发送端基站和接收端设备；所述发送端基站，用于配备多根第一天线，所述多根第一天线通过第一部分连接子阵连接到多条第一射频链路并服务于单个接收端设备，其中，每条第一射频链路连接互不相同的一个第一部分连接子阵上的一根或多根第一天线；所述接收端设备，用于配备多根第二天线，所述多根第二天线通过第二部分连接子阵连接到多条第二射频链路，每条第二射频链路连接互不相同的一个第二部分连接子阵上的一根或多根第二天线；所述发送端基站与所述接收端设备进行联合波束训练，确定模拟加权系数矩阵以及数字加权系数矩阵，其中，模拟加权系数矩阵包括：模拟合并矩阵和模拟预编码矩阵，数字加权系数包括数字合并矩阵和数字预编码矩阵；所述发送端基站与所述接收端设备基于所述模拟加权矩阵以及所述数字加权矩阵进行数据的下行链路传输。
可选地，所述多根第一天线的数量为NBS，所述多条第一射频链路的数量为MBS，每条第一射频链路连接NMASK_BS根第一天线；所述多根第二天线的数量为NMS，所述多条第二射频链路的数量为MMS，每条第二射频链路连接NMASK_MS根第二天线，所述多条数据流通道的数量为NS；其中，满足NS≤MBS≤NBS和NS≤MMS≤NMS，NBS＝NMASK_BSMBS，NMS＝NMASK_MSMMS。
可选地，所述发送端基站，用于确定数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵；所述发送端基站将原始发送信号经过对角功率分配矩阵进行功率分配并依次经过所述数字预编码矩阵和所述模拟预编码矩阵进行处理，将处理后的信号通过第一天线发送至无线信道中；所述接收端设备，用于通过所述第二天线接收到所述无线信道中的信号，将此信号依次经过模拟合并矩阵和数字合并矩阵后发送给所述数据流通道；
其中，所述模拟预编码矩阵
其中，所述模拟预编码矩阵FRF中的元素i∈{1,…,MBS}表示第i个第一部分连接子阵的非零预编码加权向量，其中C为复数集合；所述模拟合并矩阵
其中，所述模拟合并矩阵WRF中的元素i∈{1,…,MMS}表示用户第i个第二部分连接子阵的非零合并加权向量。
可选地，所述接收端设备，用于确定模拟合并矩阵WRF，确定并向所述发送端基站反馈模拟预编码矩阵FRF；确定等效基带信道基于所述等效基带信道确定数字合并矩阵WBB和数字预编码矩阵FBB，并向所述发送端基站反馈FBB；所述接收端设备和所述发送端基站利用WRF和WBB以及FRF和FBB传输信号。
本发明的混合波束成形传输方法和系统，能够基于部分连接子阵的混合波束成形结构提供有效的单用户多数据流传输方案，拥有良好的性能，可以降低硬件的复杂度，能够有效保证频谱效率并提高能量效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的混合波束成形传输方法的一个实施例的流程示意图；
图2为本发明的混合波束成形传输方法的一个实施例中的发送端基站和接收端设备的结构示意图；
图3为本发明的混合波束成形传输方法的一个实施例中的收发通信流程示意图；
图4为本发明的混合波束成形传输方法的一个实施例中的获取接收端模拟合并矩阵WRF的算法示意图；
图5为本发明的混合波束成形传输方法的一个实施例中的获取发送端模拟预编码矩阵FRF的算法示意图；
图6为本发明的混合波束成形传输方法的一个实施例中的获取接收端数字合并矩阵WBB/FBB的算法示意图；
图7A为本发明的混合波束成形传输方法与其它对比方案的仿真结果图；图7B为本发明的混合波束成形传输方法与其它对比方案的复杂度对比曲线图；
图8为本发明的混合波束成形传输系统的一个实施例的组成示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明实施例可以应用于计算机系统/服务器，其可与众多其它通用或专用计算系统环境或配置一起操作。适于与计算机系统/服务器一起使用的众所周知的计算系统、环境和/或配置的例子包括但不限于：智能手机、个人计算机系统、服务器计算机系统、瘦客户机、厚客户机、手持或膝上设备、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程消费电子产品、网络个人电脑、小型计算机系统﹑大型计算机系统和包括上述任何系统的分布式云计算技术环境，等等。
下文中的“第一”、“第二”等仅用于描述上相区别，并没有其它特殊的含义。
图1为本发明的混合波束成形传输方法的一个实施例的流程示意图，如图1所示：
步骤101，发送端基站配备多根第一天线，多根第一天线通过第一部分连接子阵连接到多条第一射频链路并服务于单个接收端设备，其中，每条第一射频链路连接互不相同的一个第一部分连接子阵上的一根或多根第一天线。
步骤102，接收端设备配备多根第二天线，多根第二天线通过第二部分连接子阵连接到多条第二射频链路，每条第二射频链路连接互不相同的一个第二部分连接子阵上的一根或多根第二天线。接收端设备可以为手机、平板电脑等。
步骤103，发送端基站与接收端设备进行联合波束训练，确定模拟加权系数矩阵以及数字加权系数矩阵，模拟加权系数矩阵包括：模拟合并矩阵和模拟预编码矩阵，数字加权系数包括数字合并矩阵和数字预编码矩阵。
步骤104，发送端基站与接收端设备基于模拟加权矩阵以及数字加权矩阵进行数据的下行链路传输。
本发明的混合波束成形传输方法适用于毫米波大规模天线下的基站对单用户的多流数据通信。多根第一天线的数量为NBS，多条第一射频链路的数量为MBS，每条第一射频链路连接NMASK_BS根第一天线；多根第二天线的数量为NMS，多条第二射频链路的数量为MMS，每条第二射频链路连接NMASK_MS根第二天线，多条数据流通道的数量为NS；其中，满足NS≤MBS≤NBS和NS≤MMS≤NMS，NBS＝NMASK_BSMBS，NMS＝NMASK_MSMMS。
在一个实施例中，如图2所示，发送端基站主要由射频链路后端的数字预编码部分和射频链路前端的模拟预编码部分组成。接收端设备主要由射频链路前端的模拟合并部分和射频链路后端的数字合并部分组成。与全连接结构不同的是，基于部分连接子阵结构的每条基带射频链路通过加权连接至互不交叠的模拟天线单元子集。
发送端基站配备NBS根天线通过部分连接子阵的方式连接到MBS条射频链路同时服务单个用户，每条射频链路连接NMASK_BS根天线。接收端设备用户配备NMS根天线同样通过部分连接子阵的方式连接到MMS条射频链路，每条射频链路连接NMASK_MS根天线，同时支持NS(NS≥1)条数据流传输。为了降低硬件复杂度同时保证通信的有效性，基站和用户的射频链路数分别满足NS≤MBS≤NBS和NS≤MMS≤NMS，其中NBS＝NMASK_BSMBS，NMS＝NMASK_MSMMS。为了有效利用各个射频链路，可以令MBS＝MMS。
发送端基站确定数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵，发送端基站将原始发送信号经过对角功率分配矩阵进行功率分配并依次经过数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵进行处理，将处理后的信号通过第一天线发送至无线信道中。接收端设备通过第二天线接收到无线信道中的信号，将此信号依次经过模拟合并矩阵和数字合并矩阵后发送给数据流通道。
在一个实施例中，发送端基站传输到接收端设备且总功率限定为Pt的原始发送信号先经过一个对角功率分配矩阵进行功率分配，其中功率分配后的信号又依次经过数字(基站)预编码矩阵和模拟预编码矩阵由于模拟处理端部分连接子阵的特殊结构，FRF不再拥有与基于全连接子阵结构的相同形式而变为一个拥有特殊对角阵结构的矩阵，具体表达为
其中，i∈{1,…,MBS}表示第i个子阵的非零预编码加权向量。经过两次预编码加权的信号通过模拟天线发送至无线信道中。由于模拟预编码部分采用相移器只能改变发送信号相位，因此FRF的每个元素都有相同的幅值，即
j∈{1,…,NMASK_BS}。为了满足整体发送功率的限制，FBB满足
在发送端设备中，模拟天线首先接收到来自无线信道下基站发送的信号。接收到的信号依次经过模拟合并矩阵和基带合并矩阵由于进行模拟处理的部分连接子阵的特殊结构，WRF也不再拥有与基于全连接子阵结构的相同形式而变为
其中，i∈{1,…,MMS}表示用户第i个子阵的非零合并加权向量。最终，经过两次合并加权后的信号通过解调得到发送给接收端设备中的Ns条数据流。因为相移器的原因，模拟合并矩阵WRF的每个元素满足
用户端合并加权后的解调信号可表示为
其中，表示发送给用户的Ns条数据流且满足
表示复数集合。表示用户的下行传输信道矩阵，则用户的基带信道定义为表示用户的加性高斯白噪声且满足均值为零方差为σ2的复高斯分布。系统中的传输信噪比定义为综上，解调后发给用户的第i条数据流可以进一步表示为
其中，si代表向量s的第i个元素，Pi代表分配给用户第i条数据流的功率。上式中不同行的连续三项分别代表了有用信号、用户内干扰以及噪声。当传输高斯信号时，通信系统的传输和速率可以表示为
其中，SINRi代表用户第i条数据流的信干噪比，它可以通过计算表达式中右边第一项有用信号的能量和其余项中干扰和噪声的能量总和的比值得到，其具体表达式为
其中，i∈{1,…,Ns}。当系统用户传输多流即Ns＞1时，用户的不同数据流间会产生干扰。
在一个实施例中，混合波束成形器可以由上述基带的数字预编码矩阵/合并矩阵和射频端的模拟预编码矩阵/合并矩阵构成。混合波束成形器的设计通常采用两步走的思路，首先根据实际信道H设计发端模拟预编码矩阵FRF和收端模拟合并矩阵WRF，然后根据等效基带信道设计发端数字预编码矩阵FBB和收端数字合并矩阵WBB。
模拟预编码矩阵/合并矩阵的设计，通常是采用基于码本的波束搜索方法实现，码本可以为多种码本。例如，模拟预编码器和合并器分别遍历预定的波束成形码本集合，选择可最大化频谱效率的最佳波束成形向量组合与最佳合并向量组合分别构造模拟预编码矩阵与模拟合并矩阵。本发明采用的波束成形码本集合是增强型波束方向码本，其中Nbit量化的M天线阵列中第n个码字的第m根天线的加权系数为
增强型波束方向码本的不同码字是对天线阵列响应向量在角度θ为的Nbit量化，码本集合为包含了码本所有码字的集合。基站端的模拟预编码码本集合用表示，集合中共有个码字；用户端的模拟合并码本集合用表示，集合中共有个码字。
在一个实施例中，如图3所示，通信流程主要分为两大阶段：波束训练阶段和数据传输阶段。波束训练阶段又分为模拟部分训练阶段和数字部分训练阶段。在模拟阶段中，发送端基站打开所有子阵发送全向波束参考信号至接收端用户设备，接收端用户逐步打开所有子阵遍历模拟预合并码本进行接收，根据接收到的波束参考信号完成模拟合并矩阵的计算。随后基站逐步打开所有子阵遍历模拟预编码码本发送波束参考信号至接收端用户，用户根据接收到的波束参考信号完成模拟预编码矩阵的计算，并反馈给基站端。
数字阶段与模拟阶段类似，在已知模拟预编码/合并矩阵后，收发双方继续类似流程进行数字合并/预编码矩阵的计算完成波束训练阶段。当波束训练阶段结束后，收发双方就可以通过已确定的模拟/数字预编码/合并矩阵确定各自通信模拟/数字部分的加权系数进行数据的传输。
接收端设备确定模拟合并矩阵WRF，确定并向发送端基站反馈模拟预编码矩阵FRF；接收端设备确定等效基带信道接收端设备基于等效基带信道确定数字合并矩阵WBB和数字预编码矩阵FBB，并向发送端基站反馈FBB；接收端设备和发送端基站利用WRF和WBB以及FRF和FBB传输信号。
如图3所示，发送端基站打开全部第一部分连接子阵，使用全部第一射频链路并采用全向天线模式发送全向波束参考信号至接收端设备。接收端设备逐一打开前n个第二部分连接子阵，使用前n个第二射频链路接收全向波束参考信号，遍历模拟预合并码本进行接收。当采用第i个码字Wi作为第n个第二部分子阵的天线加权系数接收时，利用波束参考信号计算等效基带信道传输容量记录使最大的Wi，确定第n个第二部分子阵的天线加权系数为获得接收端模拟合并矩阵
发送端基站依次打开前m个子阵，使用前m条第一射频链路遍历模拟预编码码本集合中的全部波束向量发送波束参考信号；其中，m＝1,…MBS。
如图4所示，在已知波束参考信号的前提下，接收端设备(用户端或用户)通过计算等效基带信道传输容量来确定用户不同子阵的天线加权系数，最终可以得到接收端的模拟合并矩阵WRF。
基站打开所有子阵(使用所有的射频链路)并采用全向天线模式发送波束参考信号(数字信号)至接收端用户，其中全向模式下的模拟预编码矩阵可取为m＝1,…,MBS；接收端用户依次打开前n个子阵(使用前n条射频链路)接收信号并遍历模拟预合并码本进行接收，n＝1,…MMS。
用户遍历模拟合并码本集合中的所有波束向量(即码字)进行信号接收。当采用第i个码字作为第n个子阵的天线加权系数接收时，即wn＝Wi时，利用波束参考信号计算等效基带信道传输容量
其中
记录使最大的Wi，确定第n个子阵的天线加权系数为获得接收端模拟合并矩阵
此处是一个循环，即n为1时打开第一个子阵(使用第一条射频链路)，n为2时打开第一、二个子阵(使用前两条射频链路)，n为3时打开第一、二和第三个子阵(使用前三条射频链路)，以此类推，直到用户子阵全部打开为止。每次均进行一次上述搜索过程。
如图5所示，在已知波束参考信号的前提下，用户端通过计算等效基带信道传输容量来确定不同子阵发送给用户的天线加权系数，最终可以得到发送端的模拟预编码矩阵FRF。
基站依次打开前m个子阵(使用前m条射频链路)遍历模拟预编码码本集合中的所有波束向量(即码字)发送波束参考信号，接收端用户利用已经确定的WRF进行定向接收，其中m＝1,…MBS。
当用户接收到采用第j个码字作为第m个子阵天线加权系数的基站发送信号时，即fm＝Fj时，利用波束参考信号计算等效基带信道传输容量其中记录使最大的Fj并反馈给基站，基站获取信息并确定第m个子阵的天线加权系数为
获得发送端模拟预编码矩阵
与获取WRF类似，此处也是一个循环，即m为1时打开第一个子阵(使用第一条射频链路)，m为2时打开第一、二个子阵(使用前两条射频链路)，m为3时打开第一、二和第三个子阵(使用前三条射频链路)，以此类推，直到基站子阵全部打开为止。每次均进行一次上述搜索过程。
在一个实施例中，图6展示了调节接收端射频链路加权系数的算法(该算法对应数字合并矩阵的计算)和调节发送端射频链路加权系数的算法(该算法对应数字预编码矩阵的计算)。在用户已知数字等效基带信道的前提下，通过SVD分解就能计算不同子阵的数字加权系数和数字预编码向量，最终可以得到接收端的数字合并矩阵WBB和发送端数字预编码矩阵FBB。
发送端基站利用FRF发送波束参考信号，接收端设备根据波束参考信号确定等效基带信道接收端设备对进行SVD分解，其中， 为矩阵的左奇异向量，为矩阵的右奇异向量；接收端设备确定接收端数字合并矩阵WBB为的前Ns列，确定发送端数字预编码矩阵FBB为的前Ns列；接收端设备将FBB反馈到发送端基站。
图7A为单用户多数据流传输方案在毫米波稀疏信道下与遍历搜索方案、三星公司提出的联合线性搜索与独立线性搜索方案、爱立信公司提出的成对搜索方案、索尼公司提出的K-Best搜索方案的频谱效率比较仿真图。
仿真中，传输的数据流数为2，发送端基站采用位量化码本，配备64根天线、2条射频链路，即每条射频链路配备32根天线；每个接收端用户采用位量化码本，配备16根天线、2条射频链路，即每条射频链路配备8根天线。图7A中横坐标是信噪比，单位为分贝；纵坐标是频谱效率，单位比特每秒每赫兹。
从图7A中可以看出：本发明方案在20dB信噪比的时候用户达到了22bit/s/Hz的频谱效率，且与遍历搜索方案、联合线性搜索方案接近并远远高于成对搜索方案、独立线性搜索方案和K-Best搜索方案；仿真验证了本发明方案在基于部分连接子阵的混合波束成形结构下单用户多数据流传输的有效性。
本算法与其他模拟阶段波束搜索算法的复杂度对比如下表1所示，其中N为三星公司提出的波束搜索方案中的迭代次数，在仿真中我们将联合线性搜索的迭代次数设为3，独立线性搜索的迭代次数为2；K为索尼公司提出的波束搜索方案中的备选波束数量。
表1-模拟阶段波束搜索算法的复杂度对比表
图7A的仿真结果表明，本发明方案拥有良好的性能，不失为在部分连接子阵连接方式下一种有效的单用户混合波束成形传输方案。图7B的仿真结果表明，在配置相同的情况下，本发明方案与其它对比方案相比复杂度最低，不失为在部分连接子阵连接方式下一种有效的单用户混合波束成形传输方案。
在一个实施例中，本发明提供一种混合波束成形传输系统80，包括：发送端基站81和接收端设备82。发送端基站81配备多根第一天线，多根第一天线通过第一部分连接子阵连接到多条第一射频链路并服务于单个接收端设备，其中，每条第一射频链路连接互不相同的一个第一部分连接子阵上的一根或多根第一天线。接收端设备82配备多根第二天线，多根第二天线通过第二部分连接子阵连接到多条第二射频链路，每条第二射频链路连接互不相同的一个第二部分连接子阵上的一根或多根第二天线。
发送端基站81与接收端设备82进行联合波束训练，确定模拟加权系数矩阵以及数字加权系数矩阵，其中，模拟加权系数矩阵包括：模拟合并矩阵和模拟预编码矩阵等，数字加权系数包括数字合并矩阵和数字预编码矩阵等。发送端基站81与接收端设备82基于模拟加权矩阵以及数字加权矩阵进行数据的下行链路传输。
在一个实施例中，多根第一天线的数量为NBS，多条第一射频链路的数量为MBS，每条第一射频链路连接NMASK_BS根第一天线；多根第二天线的数量为NMS，多条第二射频链路的数量为MMS，每条第二射频链路连接NMASK_MS根第二天线，多条数据流通道的数量为NS；其中，满足NS≤MBS≤NBS和NS≤MMS≤NMS，NBS＝NMASK_BSMBS，NMS＝NMASK_MSMMS。
发送端基站81确定数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵。发送端基站81将原始发送信号经过对角功率分配矩阵进行功率分配并依次经过数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵进行处理，将处理后的信号通过第一天线发送至无线信道中。接收端设备82通过第二天线接收到无线信道中的信号，将此信号依次经过模拟合并矩阵和数字合并矩阵后发送给数据流通道；
其中，模拟预编码矩阵
其中，模拟预编码矩阵FRF中的元素i∈{1,…,MBS}表示第i个第一部分连接子阵的非零预编码加权向量，其中C为复数集合；模拟合并矩阵
其中，模拟合并矩阵WRF中的元素i∈{1,…,MMS}表示用户第i个第二部分连接子阵的非零合并加权向量。
在一个实施例中，接收端设备82确定模拟合并矩阵WRF，确定并向发送端基站反馈模拟预编码矩阵FRF。接收端设备82确定等效基带信道基于等效基带信道确定数字合并矩阵WBB和数字预编码矩阵FBB，并向发送端基站反馈FBB；接收端设备82和发送端基站81利用WRF和WBB以及FRF和FBB传输信号。
上述实施例中的混合波束成形传输方法和系统，发送端基站的多根第一天线通过第一部分连接子阵连接到多条第一射频链路并服务于单个接收端设备；接收端设备配备的多根第二天线通过第二部分连接子阵连接到多条第二射频链路，每条第二射频链路连接互不相同的一个第二部分连接子阵上的一根或多根第二天线；所述发送端基站与所述接收端设备进行联合波束训练，确定模拟加权系数矩阵以及数字加权系数矩阵，基于模拟加权矩阵以及数字加权矩阵进行数据的下行链路传输；能够基于部分连接子阵的混合波束成形结构提供有效的单用户多数据流传输方案，拥有良好的性能，降低硬件的复杂度，能够有效保证频谱效率并提高能量效率。
可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种混合波束成形传输方法，其特征在于，包括：
发送端基站配备多根第一天线，所述多根第一天线通过多个第一部分连接子阵连接到多条第一射频链路并服务于单个接收端设备，其中，每条第一射频链路连接互不相同的一个第一部分连接子阵上的一根或多根第一天线；
接收端设备配备多根第二天线，所述多根第二天线通过多个第二部分连接子阵连接到多条第二射频链路，每条第二射频链路连接互不相同的一个第二部分连接子阵上的一根或多根第二天线，并支持多条数据流通道；
所述发送端基站与所述接收端设备进行联合波束训练，确定模拟加权系数矩阵以及数字加权系数矩阵，其中，模拟加权系数矩阵包括：模拟合并矩阵和模拟预编码矩阵，数字加权系数包括数字合并矩阵和数字预编码矩阵；
所述发送端基站与所述接收端设备基于所述模拟加权矩阵以及所述数字加权矩阵进行数据的下行链路传输。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述多根第一天线的数量为NBS，所述多条第一射频链路的数量为MBS，每条第一射频链路连接NMASK_BS根第一天线；所述多根第二天线的数量为NMS，所述多条第二射频链路的数量为MMS，每条第二射频链路连接NMASK_MS根第二天线，所述多条数据流通道的数量为NS；
其中，满足NS≤MBS≤NBS和NS≤MMS≤NMS，NBS＝NMASK_BSMBS，NMS＝NMASK_MSMMS。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发送端基站与所述接收端设备基于所述模拟加权矩阵以及所述数字加权矩阵进行数据的下行链路传输包括：
所述发送端基站确定数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵；
所述发送端基站将原始发送信号经过对角功率分配矩阵进行功率分配并依次经过所述数字预编码矩阵和所述模拟预编码矩阵进行处理，将处理后的信号通过第一天线发送至无线信道中；
所述接收端设备通过所述第二天线接收到所述无线信道中的信号，将此信号依次经过模拟合并矩阵和数字合并矩阵后发送给所述数据流通道；
其中，所述模拟预编码矩阵
其中，所述模拟预编码矩阵FRF中的元素表示第i个第一部分连接子阵的非零预编码加权向量，其中C为复数集合；
所述模拟合并矩阵
其中，所述模拟合并矩阵WRF中的元素表示用户第i个第二部分连接子阵的非零合并加权向量。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述确定模拟加权系数矩阵以及数字加权系数矩阵包括：
所述接收端设备确定模拟合并矩阵WRF，确定并向所述发送端基站反馈模拟预编码矩阵FRF；
所述接收端设备确定等效基带信道
所述接收端设备基于所述等效基带信道确定数字合并矩阵WBB和数字预编码矩阵FBB，并向所述发送端基站反馈FBB；
所述接收端设备和所述发送端基站利用WRF和WBB以及FRF和FBB传输信号。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述接收端设备确定模拟合并矩阵WRF、确定并向所述发送端基站反馈模拟预编码矩阵FRF包括：
所述发送端基站打开全部第一部分连接子阵，使用全部所述第一射频链路并采用全向天线模式发送全向波束参考信号至所述接收端设备；
所述接收端设备逐一打开前n个第二部分连接子阵，使用前n个所述第二射频链路接收所述全向波束参考信号，遍历模拟预合并码本进行接收；当采用第i个码字Wi作为第n个第二部分子阵的天线加权系数接收时，利用波束参考信号计算等效基带信道传输容量记录使最大的Wi，确定第n个第二部分子阵的天线加权系数为获得接收端模拟合并矩阵
所述发送端基站依次打开前m个子阵，使用前m条所述第一射频链路遍历模拟预编码码本集合中的全部波束向量发送波束参考信号；其中，m＝1,…MBS；
所述接收端设备利用已经确定的WRF进行定向接收，当接收到采用第j个码字Fj作为第m个第一部分连接子阵的天线加权系数的发送信号时，利用波束参考信号计算等效基带信道传输容量记录使最大的Fj并反馈给所述发送端基站；
所述发送端基站确定第m个第一部分连接子阵的天线加权系数为获得发送端模拟预编码矩阵；
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述接收端设备确定数字合并矩阵WBB和数字预编码矩阵FBB、并向所述发送端基站反馈FBB包括：
所述发送端基站利用FRF发送波束参考信号，所述接收端设备根据波束参考信号确定等效基带信道
所述接收端设备对进行SVD分解，其中， 为矩阵的左奇异向量，为矩阵的右奇异向量；
所述接收端设备确定接收端数字合并矩阵WBB为的前Ns列，确定发送端数字预编码矩阵FBB为的前Ns列；
所述接收端设备将FBB反馈到所述发送端基站。
7.一种混合波束成形传输系统，其特征在于，包括：
发送端基站和接收端设备；
所述发送端基站，用于配备多根第一天线，所述多根第一天线通过多个第一部分连接子阵连接到多条第一射频链路并服务于单个接收端设备，其中，每条第一射频链路连接互不相同的一个第一部分连接子阵上的一根或多根第一天线；
所述接收端设备，用于配备多根第二天线，所述多根第二天线通过多个第二部分连接子阵连接到多条第二射频链路，每条第二射频链路连接互不相同的一个第二部分连接子阵上的一根或多根第二天线；
所述发送端基站与所述接收端设备进行联合波束训练，确定模拟加权系数矩阵以及数字加权系数矩阵，其中，模拟加权系数矩阵包括：模拟合并矩阵和模拟预编码矩阵，数字加权系数包括数字合并矩阵和数字预编码矩阵；
所述发送端基站与所述接收端设备基于所述模拟加权矩阵以及所述数字加权矩阵进行数据的下行链路传输。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，
所述多根第一天线的数量为NBS，所述多条第一射频链路的数量为MBS，每条第一射频链路连接NMASK_BS根第一天线；所述多根第二天线的数量为NMS，所述多条第二射频链路的数量为MMS，每条第二射频链路连接NMASK_MS根第二天线，所述多条数据流通道的数量为NS；其中，满足NS≤MBS≤NBS和NS≤MMS≤NMS，NBS＝NMASK_BSMBS，NMS＝NMASK_MSMMS。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，
所述发送端基站，用于确定数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵；所述发送端基站将原始发送信号经过对角功率分配矩阵进行功率分配并依次经过所述数字预编码矩阵和所述模拟预编码矩阵进行处理，将处理后的信号通过第一天线发送至无线信道中；
所述接收端设备，用于通过所述第二天线接收到所述无线信道中的信号，将此信号依次经过模拟合并矩阵和数字合并矩阵后发送给所述数据流通道；
其中，所述模拟预编码矩阵
其中，所述模拟预编码矩阵FRF中的元素表示第i个第一部分连接子阵的非零预编码加权向量，其中C为复数集合；
所述模拟合并矩阵
其中，所述模拟合并矩阵WRF中的元素表示用户第i个第二部分连接子阵的非零合并加权向量。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，
所述接收端设备，用于确定模拟合并矩阵WRF，确定并向所述发送端基站反馈模拟预编码矩阵FRF；确定等效基带信道基于所述等效基带信道确定数字合并矩阵WBB和数字预编码矩阵FBB，并向所述发送端基站反馈FBB；
所述接收端设备和所述发送端基站利用WRF和WBB以及FRF和FBB传输信号。
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