CN108923833A - 一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法 - Google Patents

Abstract

一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法，首先，将天线互耦效应作为天线的影响重要参数，获得互耦效应对信道的干扰矩阵；接着，计算考虑接受两端互耦效应下的毫米波阵列的等效信道模型；然后，针对这一信道模型计算了理想的发射端波束预编码向量；最后，基于理想预编码向量采用OMP算法获得了最优的混合预编码方法。本发明基于混合波束预编码系统，能够有效抑制阵元互耦效应造成的波束畸变现象。

Description

一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法

技术领域

本发明涉及通信信息系统领域，具体涉及一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法。

背景技术

毫米波通信作为一种新兴的通信技术被广泛关注和研究，与传统无线通信技术相比，毫米波通信具有丰富的频谱资源，为实现千兆传输速率创造了条件。但是，由于超高的通信频段，毫米波无线通信面临着传播损耗高的问题。为了弥补传播损耗，毫米波通信利用在较小天线模块上形成大规模阵列天线，以实现波束赋形，从而提高天线的方向性和增益，改善链路质量。

近年来，模数混合的波束成形系统引起了研究者的注意。一方面，模拟波束成形系统会面临恒定幅度限制和较低相位控制分辨率的问题，而纯数字系统对于元器件的消耗较多且复杂度大大增加，不利于实际运用。针对这一问题，模数混合的波束成形系统可以在不消耗大量元器件的情况下得到最优的波束效果。在这一过程中，根据阵元相关性和信道特性所得到的无限制理想波束预编码矩阵被首先计算得到，再根据系统中有限的RF链数量得到次优的闭式近似值，从而获得实际的波束预编码方法。

然而，阵元之间除了相关性还存在其他相互影响的因素，互耦效应就是其中之一。在实际波束成形中，若不考虑到阵元之间的互耦情况，很有可能使得到的理想预编码出现误差，从而影响波束成形的效果，造成波束畸变。将互耦效应对信道所产生的影响建模并采用相应抑制互耦效应的波束预编码算法，能够有效克服这一问题。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、计算线阵列互耦效应对信道的干扰矩阵；

步骤二、结合阵列响应，计算互耦效应下的等效信道模型；

步骤三、在互耦等效信道模型的基础上，计算理想波束预编码矩阵；

步骤四、根据理想波束预编码矩阵并基于混合波束成形系统得到实际的波束预编码方案。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

所述步骤一具体包括：

1.1)计算不考虑互耦效应时，天线发射端的馈电点电压：

其中，N_BS表示发射端的天线数目，为N_BS×N_BS的单位阵，z_s，z_t分别表示负载阻抗矩阵和发射天线阵列的互阻抗矩阵，z_A表示天线自阻抗矩阵，v⁰表示天线的开路电压矩阵，v_s表示天线的激励电压矩阵；

1.2)计算考虑互耦效应时，天线发射端的馈电点电压：

1.3)根据步骤1.1、步骤1.2以及关系式计算发射端天线的互耦矩阵：

同理，计算接收端阵列的互耦矩阵G_r。

所述步骤二具体包括：

2.1)计算收发两端均采用毫米波阵列下的通信信道模型：

其中，K为莱斯因子，a_i是满足高斯分布的复信道增益，0≤i≤L，L表示NLOS信道的个数，变量θ_i∈[-π，π]和φ_i∈[-π，π]分别表示不同信道的信号发射角，N_BS和N_MS分别表示发射端与接收端的天线数目，d_BS(θ_i)和d_MS(φ_i)分别表示发射角和接收角的归一化阵列响应向量；

对于N_BS个阵元的均匀线阵，归一化阵列响应表示为：

同样，接收端归一化阵列响应表示为：

其中，λ_c表示光的波长，[]^T表示矩阵的转置变换，C表示矩阵；

2.2)计算天线互耦效应下的等效信道模型：

其中，[]^*表示矩阵的共轭转置变换。

所述步骤三具体包括：

3.1)在块衰落信道下，该波束成形系统接收信号表示为：

y＝w^*H_gcs+w^*n

其中，y表示接收信号；s表示传输符号，满足其中E[·]表示取均值；n为均值为0、方差为σ²的加性高斯白噪声；c表示混合波束成形系统的波束成形矢量，由模拟波束控制矩阵F_RF和基带波束成形向量v_BB组成；w表示接收端结合向量，可以分为模拟结合矩阵W_RF和基带结合向量w_BB；

3.2)在步骤3.1的条件下，信号传输速率表示为：

其中，ρ表示发射信噪比，R_n＝w^*w表示噪声的自相关矩阵；

3.3)在步骤3.2的条件下，使信号速率最佳的理想波束预编矢量c_opt的具体求法为：

对等效信道参数矩阵H_g进行SVD分解为H_g＝U∑v^*，并将矩阵∑和V定义为：

其中，∑₁∈C^1×1，而

根据毫米波信道的稀疏特性，c_opt表示为：

c_opt＝(∑₁v₁)^*。

所述步骤四具体包括：

4.1)对模拟波束控制矩阵F_RF与残差向量F_res进行初始化，其中F_RF＝[]，F_res＝c_opt；

4.2)根据RF链的数目N_RF，令n＝1∶N_RF，重复步骤4.3到步骤4.6；

4.3)根据构建最新残差向量F_res的值构建新向量并结合RF相移器具体分辨率进行量化操作，使f_n∈Z_q，z_q表示相移器可能产生的所有相位集合；

4.4)将F_RF矩阵的值进行更新，得到F_RF＝[F_RF f_n]；

4.5)计算此时基带波束成形向量：

4.6)计算残差向量：F_res＝c_opt-F_RFv_BB；

4.7)结束迭代后，对基带波束成形向量进行归一化：

4.8)根据最新的F_RF和v_BB得到最终混合波束预编码方案c＝F_RFv_BB。

本发明的有益效果是：基于混合波束预编码系统，能够有效抑制阵元互耦效应造成的波束畸变现象。

附图说明

图1是发射端简化后的等效互耦模型图。

图2是毫米波阵列混合波束成形系统结构框图。

图3a是实施例中互耦效应的波束畸变图。

图3b是实施例中互耦效应的传输速率图。

图4是实施例中采用本发明中波束预编码方法后信道容量的仿真结果图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1、图2所示的一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法，具体包括以下步骤：

一、计算线阵列互耦效应对信道的干扰矩阵

1.1)计算不考虑互耦效应时，天线发射端的馈电点电压，方法如下：

其中，N_BS表示发射端的天线数目，为N_BS×N_BS的单位阵，z_s，z_t分别表示负载阻抗矩阵和发射天线阵列的互阻抗矩阵，z_A表示天线自阻抗矩阵，V⁰表示天线的开路电压矩阵，v_s表示天线的激励电压矩阵。

1.2)计算考虑互耦效应时，天线发射端的馈电点电压，方法如下：

1.3)根据前两个步骤与关系式计算发射端天线的互耦矩阵，方法如下：

根据同样的方法，接收端阵列的互耦矩阵G_r也可以求出。

二、结合阵列响应，计算互耦效应下的等效信道模型

2.1)计算收发两端均采用毫米波阵列下的通信信道模型，方法如下：

其中，K为莱斯因子，a_i是满足高斯分布的复信道增益，0≤i≤L，L表示NLOS信道的个数，变量θ_i∈[-π，π]和φ_i∈[-π，π]分别表示不同信道的信号发射角(angle ofdeparture，AOD)。N_BS和N_MS分别表示发射端与接收端的天线数目，d_BS(θ_i)和d_MS(φ_i)分别表示发射角和接收角的归一化阵列响应向量，这些值与天线阵列结构有关。其中，对于N_BS个阵元的均匀线阵(uniform linear array，ULA)，归一化阵列响应可以表示为：

同样，接收端归一化阵列响应可以表示为：

其中，λ_c表示光的波长，[]^T表示矩阵的转置变换，C表示矩阵。

2.2)计算天线互殴效应下的等效信道模型，方法如下：

其中，[]^*表示矩阵的共轭转置变换。

三、在互耦等效信道模型的基础上，计算理想波束预编码矩阵

3.1)在块衰落信道下，该波束成形系统接收信号可以表示为：

y＝w^*H_gcs+w^*n

其中，y表示接收信号；s表示传输符号，满足其中E[·]表示取均值。n为均值为0、方差为σ²的加性高斯白噪声。c表示混合波束成形系统的波束成形矢量，由模拟波束控制矩阵F_RF和基带波束成形向量v_BB组成。w表示接收端结合向量，与发射端预编码矢量c作用类似，同样w可以分为模拟结合矩阵W_RF和基带结合向量w_BB。

3.2)在步骤3.1的条件下，信号传输速率表示为：

其中，ρ表示发射信噪比，R_n＝w^*w表示噪声的自相关矩阵。

3.3)在步骤3.2的条件下，使信号速率最佳的理想波束预编矢量c_opt的具体求法为：

对等效信道参数矩阵H_g进行SVD分解为H_g＝U∑V^*，并将矩阵∑和V定义为：

其中，∑₁∈C^1×1，而

根据毫米波信道的稀疏特性，c_opt可以表示为：

c_opt＝(∑₁V₁)^*。

四、根据第三步结论并基于混合波束成形系统得到实际的波束预编码方案

4.1)对模拟波束控制矩阵F_RF与残差向量F_res进行初始化，其中F_RF＝[]，F_res＝c_opt。

4.2)根据RF链的数目N_RF，令n＝1∶N_RF，重复步骤4.3到步骤4.6。

4.3)根据构建最新残差向量F_res的值构建新向量并结合RF相移器具体分辨率进行量化操作，使f_n∈Z_q，z_q表示相移器可能产生的所有相位集合。

4.4)将F_RF矩阵的值进行更新，得到F_RF＝[F_RF f_n]。

4.5)计算此时基带波束成形向量：

4.6)计算残差向量：F_res＝c_opt-F_RFv_BB。

4.7)结束迭代后，对基带波束成形向量进行归一化：

4.8)根据最新的F_RF和v_BB得到最终混合波束预编码方案c＝F_RFv_BB。

本实施例中，发射端与接收端均采用阵元数目为16的ULA阵列，载波频率为60GHz毫米波，阵元间距为半波长，并采用传统默认的互耦参数设置，并且各天线特性相同，负载阻抗相等。传输信道为高斯衰落信道，令LOS信道中发射方向角和波达方向角设置为θ₀＝-π/6和φ₀＝π/2，a₀＝1。RF波束移相器由q＝3控制，RF数目为N_RF＝2或4，发射信号功率为0.1W。

实施例包括以下步骤：

1、计算线阵列互耦效应对信道的干扰矩阵，具体如下：

1)天线发射端的馈电点电压为：

2)天线发射端的馈电点电压为

3)根据前两个步骤与关系式计算发射端天线的互耦矩阵，方法如下：

4)根据阵列特点将互耦矩阵进行化简：

G_t＝(Z_S+Z_A)(z_s+Z_t)^-1

同理，可求得接收端互耦矩阵G_r。

2、计算互耦效应下的等效信道模型，具体如下：

1)计算发射端N_BS个阵元的均匀线阵归一化阵列响应：

同样，计算接收端归一化阵列响应：

2)计算收发两端均采用ULA阵列下的通信信道模型：

由于该实施例中载波采用606Hz毫米波，因此在该式中K值较大，散射路径可以忽略不计，信道模型可以化简为：

3，计算天线互耦效应下的等效信道模型，表示为：

4，计算理想波束预编码向量，具体过程如下：

1)对等效信道参数矩阵H_g进行SVD分解为H_g＝U∑V^*，并将矩阵∑和V分解为如下形式：

其中，∑₁∈C^1×1，而

2)计算理想波束预编码向量c_opt：

c_opt＝(∑₁V₁)^*

5，得到实际的波束预编码方案c，具体方法如下：

1)令F_RF＝[]，F_res＝c_opt。

2)根据RF链的数目N_RF＝2或者4，令n＝1：N_RF重复以下3-6步骤。

3)根据构建最新残差向量F_res的值计算并结合RF相移器具体分辨率进行量化操作，使f_n∈Z_q，此时z_q＝{0，2π/2^q，...，2π(2^q-1)/2^q}，q＝3。

4)将F_RF矩阵的值进行更新，得到F_RF＝[F_RF f_n]。

5)计算此时基带波束成形向量：

6)计算残差向量：F_res＝c_opt-F_RFv_BB。

7)结束迭代后，对基带波束成形向量进行归一化：

8)根据最新的F_RF和v_BB得到最终混合波束预编码方案c＝F_RFv_BB。

6、将上述步骤获得的预编码方案代入混合波束成长结构中，观察该方案对互耦效应的抑制效果。

本实施例得到的效果可以通过图3a、图3b和图4仿真实验中所获得的具体数据进行进一步说明。图3a中互耦效应的存在使原指向正常的波束形状发生了畸变，从而对毫米波通信造成灾难性的后果，如图3b所示，天线间互耦效应的存在能够大大降低系统信道容量，降低通信质量。由此不难发现，若现实波束设计中不对互耦效应进行抑制，将会对实际通信产生不良的影响。图4中，本发明通过波束预编码方法对互耦效应进行抑制，在RF＝2时，信道容量显著提高，而当迭代次数达到RF＝4时，互耦效应几乎被完全抑制，可以看出，本发明很好的解决了互耦效应带来的波束畸变问题。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、计算线阵列互耦效应对信道的干扰矩阵；

步骤二、结合阵列响应，计算互耦效应下的等效信道模型；

步骤三、在互耦等效信道模型的基础上，计算理想波束预编码矩阵；

步骤四、根据理想波束预编码矩阵并基于混合波束成形系统得到实际的波束预编码方案。

2.如权利要求1所述的一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法，其特征在于：所述步骤一具体包括：

1.1)计算不考虑互耦效应时，天线发射端的馈电点电压：

其中，N_Bs表示发射端的天线数目，为N_Bs×N_BS的单位阵，Z_s，Z_t分别表示负载阻抗矩阵和发射天线阵列的互阻抗矩阵，Z_A表示天线自阻抗矩阵，V⁰表示天线的开路电压矩阵，V_S表示天线的激励电压矩阵；

1.2)计算考虑互耦效应时，天线发射端的馈电点电压：

1.3)根据步骤1.1、步骤1.2以及关系式计算发射端天线的互耦矩阵：

同理，计算接收端阵列的互耦矩阵G_r。

3.如权利要求2所述的一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法，其特征在于：所述步骤二具体包括：

2.1)计算收发两端均采用毫米波阵列下的通信信道模型：

其中，K为莱斯因子，a_i是满足高斯分布的复信道增益，0≤i≤L，L表示NLOS信道的个数，变量θ_i∈[-π，π]和φ_i∈[-π，π]分别表示不同信道的信号发射角，N_BS和N_MS分别表示发射端与接收端的天线数目，d_BS(θ_i)和d_MS(φ_i)分别表示发射角和接收角的归一化阵列响应向量；

对于N_BS个阵元的均匀线阵，归一化阵列响应表示为：

同样，接收端归一化阵列响应表示为：

其中，λ_c表示光的波长，[]^T表示矩阵的转置变换，C表示矩阵；

2.2)计算天线互耦效应下的等效信道模型：

其中，[]^*表示矩阵的共轭转置变换。

4.如权利要求3所述的一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法，其特征在于：所述步骤三具体包括：

3.1)在块衰落信道下，该波束成形系统接收信号表示为：

y＝w^*H_gcs+w^*n

其中，y表示接收信号；s表示传输符号，满足其中E[·]表示取均值；n为均值为0、方差为σ²的加性高斯白噪声；c表示混合波束成形系统的波束成形矢量，由模拟波束控制矩阵F_RF和基带波束成形向量v_BB组成；w表示接收端结合向量，可以分为模拟结合矩阵W_RF和基带结合向量w_BB；

3.2)在步骤3.1的条件下，信号传输速率表示为：

其中，ρ表示发射信噪比，R_n＝w^*w表示噪声的自相关矩阵；

3.3)在步骤3.2的条件下，使信号速率最佳的理想波束预编矢量c_opt的具体求法为：

对等效信道参数矩阵H_g进行SVD分解为H_g＝U∑V^＊，并将矩阵∑和V定义为：

V＝[V1，V₂]

其中，∑₁∈C^1×1，而

根据毫米波信道的稀疏特性，c_opt表示为：

c_opt＝(∑₁v₁)^*。

5.如权利要求4所述的一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法，其特征在于：所述步骤四具体包括：

4.1)对模拟波束控制矩阵F_RF与残差向量F_res进行初始化，其中F_RF＝[]，F_res＝c_opt；

4.2)根据RF链的数目N_RF，令n＝1：N_RF，重复步骤4.3到步骤4.6；

4.3)根据构建最新残差向量F_res的值构建新向量并结合RF相移器具体分辨率进行量化操作，使f_n∈Z_q，Z_q表示相移器可能产生的所有相位集合；

4.4)将F_RF矩阵的值进行更新，得到F_RF＝[F_RF f_n]；

4.5)计算此时基带波束成形向量：

4.6)计算残差向量：F_res＝c_opt-F_RFv_BB；

4.7)结束迭代后，对基带波束成形向量进行归一化：

4.8)根据最新的F_RF和v_BB得到最终混合波束预编码方案c＝F_RFv_BB。