CN109547080A - 一种基于stbc有效补偿波束偏斜的模拟波束传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于STBC有效补偿波束偏斜的模拟波束传输方法，包括以下步骤：建立频域内的波束优化问题，最大化带宽内的平均波束增益，使带宽内不同频点处的波束增益在dB内波动；把波束优化问题转化为半正定规划的松弛（SDR）问题，求得SDR问题的最优解X^*；对最优解X^*特征值分解，由自定义的秩判决条件，决定最优解的秩，获得对应的有效特征向量集；当秩大于1时，采用基于STBC的波束传输；导频信号的修改，针对K个用户，传输K条数据流，需发送2K个导频信号，对相移器的相移矢量估计。本发明通过在频域内进行波束设计，根据自定义SDR最优解的秩判决条件得到波束向量，结合基于STBC的波束传输方法，能有效补偿波束偏斜以及大幅度提高传输系统的吞吐量。

Description

一种基于STBC有效补偿波束偏斜的模拟波束传输方法

技术领域

本发明涉及毫米波无线通信技术领域，特别涉及一种基于空时分组码(STBC)有效补偿波束偏斜的模拟波束传输方法。

背景技术

5G作为第五代无线移动通信，相比第四代LTE，其数据传输速率可提高近百倍。毫米波可提供GHz的频谱带宽，可以提高数据传输速率，被认为是5G的关键技术之一。但是5G毫米波频段的信号与传统的6GHz以下频段的信号有很大的不同，会经历严重的传播损耗。大规模天线波束成形技术对补偿信号衰减，并维持稳定的通信链路起到了关键作用。

相控阵列天线的设计在超宽带通信系统中面临着挑战。同一波束方向上，不同频率的波束增益也不同，特别是最大频率和最小频率的波束增益与在载波频率的波束增益相比，均大大下降，这就是波束偏斜，降低了相控阵列天线系统的可用带宽。现有的一些消除或减少波束偏斜的方法中，真时延波束成形以及一些相位调整方案，都属于硬件方法，光学时延和电子时延网络均是对现有通信系统的硬件系统做出改变，由于其昂贵的时延网络导致实现复杂度高。通过算法来减小或消除波束偏斜方法中，增加码本的波束数目，以抵消由波束偏斜带来的可用波束宽度的减少，虽然不需要对已有的硬件系统做改变，但某些情况下，在带宽内不同频点的波束增益波动仍然很大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于STBC有效补偿波束偏斜的模拟波束传输方法，该方法能够有效地补偿波束偏斜，提高系统的可用带宽以及系统的吞吐量。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于STBC有效补偿波束偏斜的模拟波束传输方法，所述方法包括以下具体步骤：

(1)建立在频域内的模拟波束优化问题，最大化带宽内的平均波束增益，使带宽内不同频点处的波束增益在εdB内波动；

(2)把问题转化为半正定松弛(SDR)问题，利用Matlab中的凸优化(CVX)工具箱求得SDR问题的最优解X^*；

(3)对最优解X^*进行特征值分解，根据自定义的秩判决条件，判定最优解的秩，并获得对应的有效特征向量集；

(4)当秩大于1时，采用基于STBC的波束传输；

(5)基于STBC的模拟波束传输在通信系统中的实现，需对导频信号进行修改，即针对K个用户，传输K条数据流，需要发送2K个导频信号，对相移器的相移矢量进行估计。

所述步骤1具体为：

最大化带宽内的平均波束增益其中a(f,θ)是均匀线性阵列的导向矢量，B是信号带宽，f是信号频率，θ是虚拟方向角表示信号发射角，波束主瓣范围 表示函数w^Ha(f,θ)a^H(f,θ)w在D_ML范围内对f的积分，右上角的H表示矩阵或向量的共轭转置。

在给定波束中心方向θ₀下，带宽内不同频点处的波束增益在εdB内波动，γ≤w^Ha(f,θ₀)a^H(f,θ₀)w≤γ10^ε/10，其中ε表示波动的强度(dB)，同时为了更大的发射功率效率，我们需要限制波束旁瓣的平均增益f₀>>B，D_SL是波束主瓣之外(旁瓣)范围，其中D_ML∪D_SL＝[f_c-f₀,f_c+f₀]，∪表示并集；

根据以上分析，模拟波束w需满足

subject toγ≤w^Ha(f,θ₀)a^H(f,θ₀)w≤γ10^ε/10,

P_o≤γζ,

i＝1,…,M，

其中w,γ是需要优化的波束及参数，M是指天线数目，即为波束向量w的元素个数，ζ设置为0<ζ<1。

所述步骤2具体为：

根据表达式w^Ha(f,θ₀)a^H(f,θ₀)w＝tr(a(f,θ₀)a^H(f,θ₀)·ww^H)，tr(a(f,θ₀)a^H(f,θ₀)·ww^H)表示矩阵a(f,θ₀)a^H(f,θ₀)·ww^H的迹，令X＝ww^H，则X是半正定矩阵，且矩阵X的秩rank(X)＝1，原优化问题变成半正定规划(SDP)问题，优化变量由w转变为X；

SDP:

subject toγ≤tr(a(f,θ₀)a^H(f,θ₀)·X)≤γ10^ε/10,

i＝1,…,M，

X≥0，rank(X)＝1.

约束条件rank(X)＝1是非凸的，通过半正定规划松弛得到SDR问题，即去掉rank约束条件，

SDR:

subject toγ≤tr(a(f,_θ0)a^H(f,θ₀)·X)≤γ10^ε/10,

i＝1,…,M，

X≥0,

SDR问题可以通过Matlab中的CVX工具箱求的最优解X^*。

所述步骤3具体为：

对由SDR问题得到的最优解X^*进行特征值分解，得到特征值μ₁≥μ₂≥…≥μ_M>0，及相应的特征向量u₁,u₂,…,u_M；

通过定义的判决条件取有效特征向量集，特征值满足μ_r≥ξ>μ_r+1，对应的有效特征向量集为{u₁,u₂,…,u_r}，其中参数0<ξ<1根据实际情况来定；

所述步骤4具体为：

如果有效特征向量只有一个u₁，即秩r＝1，则采用直接波束传输，波束∠u表示取向量u的每个元素角度为w相对应元素的角度，波束增益表达式为P(f,θ)＝w^Ha(f,θ)a^H(f,θ)w；

如果r>1，即有效特征向量集中有大于等于2个特征向量，则采用基于STBC的波束传输。传输信号首先经过一个STBC编码器，编码器并行输出在t时隙和t+1时隙被发送的信号s_i(t)和s_i(t+1)，i＝1,2可表示如下

其中是为了保证总的信号发射功率是固定的。编码器输出的信号接着分别是由两个波束w₁和w₂处理，相加在一起。在接收端，通过对有用信号的线性组合而成，忽略两个时隙内的噪声，可得到如下接收信号：

然后结合权重Γ^H，等效的虚拟波束增益为

从有效特征向量集中选取最佳的两个特征向量u_i和u_j，波束优化问题的可行解使最大化虚拟波束增益。

所述步骤5具体为：

基于STBC的模拟波束传输在通信系统中的实现，需对导频信号进行修改，即对于K个用户，传输K条数据流，需要发送2K个导频信号，分别对相移器的相移矢量进行估计。对不同方向的用户，其基站发送信号的虚拟方向角θ不同，即导向矢量a(f,θ)不同，因此所对应的波束(w₁,w₂)也不同，即相移器的相移矢量不同。每条数据流通过发送2个导频信号，估计相移器的相移矢量，实现基于STBC的模拟波束传输方法。

本发明的有益效果：

本发明所提出的一种基于STBC有效补偿波束偏斜的模拟波束传输方法，首先针对波束偏斜问题，建立波束优化问题，即建立最大化在带宽内平均波束增益的目标函数，满足在带宽内不同频率的波束增益在εdB内波动的约束条件，同时限制带宽外的平均波束增益；通过把波束优化问题转换成SDR求得问题的最优解；然后根据自定义的最优解秩判决条件，获得对应模拟波束；在工程实现上，每条数据流的发送需要2个导频信号用于估计相移器的相移矢量；这种基于STBC的波束传输方法，能有效补偿波束偏斜并提高系统的可用带宽及吞吐量。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明提供的根据SDR最优解的秩求波束并决定波束传输方法的流程图；

图3为应用本发明于宽带系统的波束增益性能示意图；

图4为应用本发明于宽带MISO系统下在不同方向上的吞吐量性能示意图。

具体实施方式

为了更加清楚明白地说明本发明所述的技术手段、技术改进及有益效果，以下结合附图对本发明进行详细的说明。

本发明所提供的一种基于STBC有效补偿波束偏斜的模拟波束传输方法，参阅图1-2，包括以下几个步骤：

S101：建立在频域内的模拟波束优化问题，最大化带宽内的平均波束增益，使同一方向上带宽内不同频点处的波束增益在波动。

该步骤具体为：

最大化带宽内的平均波束增益其中a(f,θ)是均匀线性阵列的导向矢量，B是信号带宽，f是信号频率，θ是虚拟方向角表示信号发射角，波束主瓣范围 表示函数w^Ha(f,θ)a^H(f,θ)w在D_ML范围内对f的积分，右上角H表示矩阵或向量的共轭转置。

在给定波束中心方向θ₀下，带宽内不同频点处的波束增益在εdB内波动，γ≤w^Ha(f,θ₀)a^H(f,θ₀)w≤γ10^ε/10，其中ε表示波动的强度(dB)，同时为了更大的发射功率效率，需要限制波束旁瓣的平均增益D_SL是波束主瓣之外(旁瓣)范围，其中D_ML∪D_SL＝[f_c-f₀,f_c+f₀]，∪表示并集；

根据以上分析，模拟波束w需满足

subject toγ≤w^Ha(f,θ₀)a^H(f,θ₀)w≤γ10^ε/10,

P_o≤γζ,

i＝1,…,M，

其中w,γ是需要优化的波束及参数，M是指天线数目，即为波束向量w的元素个数，ζ设置为一个正数。

S102：把问题转化为半正定规划松弛(SDR)问题，利用Matlab中的凸优化(CVX)工具箱求得SDR问题的最优解X^*。

该步骤具体为：

根据表达式w^Ha(f,θ₀)a^H(f,θ₀)w＝tr(a(f,θ₀)a^H(f,θ₀)·ww^H)，tr(a(f,θ₀)a^H(f,θ₀)·ww^H)表示矩阵a(f,θ₀)a^H(f,θ₀)·ww^H的迹，令X＝ww^H，则X是半正定矩阵，且矩阵X的秩rank(X)＝1，原优化问题变成半正定规划(SDP)问题，优化变量由w转变为X；

SDP:

subject toγ≤tr(a(f,θ₀)a^H(f,θ₀)·X)≤γ10^ε/10,

i＝1,…,M，

X≥0，rank(X)＝1.

约束条件rank(X)＝1是非凸的，通过半正定规划松弛得到SDR问题，即去掉rank约束条件，

SDR:

subject toγ≤tr(a(f,θ₀)a^H(f,θ₀)·X)≤γ10^ε/10,

i＝1,…,M，

X≥0,

SDR问题可以通过Matlab中的CVX工具箱求的最优解X^*。

S103：对最优解X^*进行特征值分解，根据自定义的秩判决条件，判定最优解的秩，并获得对应的有效特征向量集。

该步骤参阅图2所示流程图，具体过程为：

对由SDR问题得到的最优解X^*进行特征值分解，得到特征值μ₁≥μ₂≥…≥μ_M>0，及相应的特征向量u₁,u₂,…,u_M；

通过定义的判决条件取有效特征向量集，特征值满足μ_r≥ξ>μ_r+1，对应的有效特征向量集为{u₁,u₂,…,u_r}，其中参数0<ξ<1是一个很小的数值；

S104：当秩大于1时，采用基于STBC的波束传输。

该步骤参见图2所示流程图，具体过程为：

如果有效特征向量只有一个u₁，即秩r＝1，则采用直接波束传输，波束∠u表示取向量u的每个元素角度为w相对应元素的角度，波束增益表达式为P(f,θ)＝w^Ha(f,θ)a^H(f,θ)w；

如果r>1，即有效特征向量集中有大于等于2个特征向量，则采用基于STBC的波束传输。传输信号首先经过一个STBC编码器，编码器并行输出在t时隙和t+1时隙被发送的信号s_i(t)和s_i(t+1)，i＝1,2可表示如下：

其中是为了保证总的信号发射功率是固定的。编码器输出的信号接着分别是由两个波束w₁和w₂处理，相加在一起。在接收端，通过对有用信号的线性组合而成，忽略两个时隙内的噪声，可得到如下接收信号：

然后结合权重Γ^H，等效的虚拟波束增益为

从有效特征向量集中选取最佳的两个特征向量u_i和u_j，波束优化问题的可行解使最大化虚拟波束增益，其虚拟波束增益表达式为

S105：基于STBC的模拟波束传输在通信系统中的实现，需对导频信号进行修改，即针对K个用户，传输K条数据流，需要发送2K个导频信号，对相移器的相移矢量进行估计。

该步骤具体为：

基于STBC的模拟波束传输在通信系统中的实现，需对导频信号进行修改，即对于K个用户，传输K条数据流，需要发送2K个导频信号，分别对相移器的相移矢量进行估计。对不同方向的用户，其基站发送信号的虚拟方向角θ不同，即导向矢量a(f,θ)不同，因此所对应的波束(w₁,w₂)也不同，即相移器的相移矢量不同。每条数据流通过发送2个导频信号，估计相移器的相移矢量，实现基于STBC的模拟波束传输方法。

参阅图3-4，下面对本发明的仿真情况进行说明。

本发明是针对补偿MIMO(multiple-input multiple-output)通信系统中宽带毫米波波束偏斜问题而提出的，由于波束偏斜问题在多用户MIMO混合波束成形传输和在模拟波束成形传输中对通信的可用带宽及吞吐量的影响一样，为了便于分析，先对本发明应用于简单模拟波束成形系统进行示范性说明。

仿真结果将本发明与另一种方案进行对比，对比方案的波束是为载波频率设计的，因此在波束中心θ₀处具有最大波束增益，其波束为图3为应用本发明于宽带系统的波束增益性能示意图，仿真条件：发射天线数M＝64，天线阵列间距d＝λ_c/2，ε＝3dB，ξ＝0.1，波束中心θ₀＝0.6，载波频率f_c＝28GHz，最大频率f_max＝29.5GHz，最小频率f_min＝26.5GHz。由图3可见，在3GHz的带宽系统中，应用对比传输方法的最大、最小频率的波束增益与载波频率下的波束增益相比下降了31dB，而应用本发明的最大、最小频率的波束增益与载波频率的增益的差距减小至5dB左右，波束偏斜得到有效补偿。

图4为应用本发明于宽带MISO系统下在不同波束方向上的吞吐量性能示意图，其中用户数为1，仿真条件：发射功率为0.2mW，噪声功率谱密度-74dBm/Hz，发射天线数M＝64，天线阵列间距d＝λ_c/2，ε＝3dB，ξ＝0.1，载波频率f_c＝28GHz。由图4可见，不管是在2GHz，还是3GHz的带宽下，应用本发明的用户在某些情况下的吞吐量有明显提高，比如在2G带宽下，当波束中心方向大于0.7时，本发明提出的基于STBC的波束成形方案对系统吞吐量性能有了明显提升，最高提升19％，在3G带宽下，当波束中心方向大于0.49时，本发明对系统吞吐量就有了明显提升，最大提升24.6％。

综上所述，本发明所提出的一种基于STBC有效补偿波束偏斜的模拟波束传输方法，首先建立波束优化问题，即最大化在带宽内平均波束增益的目标函数，满足在带宽内不同频率的波束增益在有限范围波动的约束条件，同时限制带宽外的平均波束增益，提出了一种基于STBC的波束传输方法，能有效补偿波束偏斜并提高通信系统的可用带宽及吞吐量。本发明为后续利用基于STBC的波束设计进行波束偏斜补偿分析提供有效数据。另外，本发明是可以离线操作，波束可以提前计算并存储，可通过码本在各个不同的情况下利用波束，所以复杂度不是问题。根据不同的应用背景，本发明经过适当的修改同样适用于其他与毫米波波束成形相关的MIMO通信领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (6)

1.一种基于STBC有效补偿波束偏斜的模拟波束传输方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：

(1)建立在频域内的波束优化问题，最大化带宽内的平均波束增益，使带宽内不同频点处的波束增益在εdB内波动；

(2)把波束优化问题转化为半正定松弛问题，利用Matlab中的凸优化工具箱求得半正定规划松弛SDR问题的最优解x^*；

(3)对最优解x^*进行特征值分解，根据自定义的秩判决条件，判定最优解的秩，并获得对应的有效特征向量集；

(4)当秩大于1时，采用基于STBC的波束传输；

(5)基于STBC的模拟波束传输在通信系统中的实现，需对导频信号进行修改，即针对K个用户，传输K条数据流，需要发送2K个导频信号，对相移器的相移矢量进行估计。

2.根据权利要求1所述的模拟波束传输方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

最大化带宽内的平均波束增益其中a(f，θ)是均匀线性阵列的导向矢量，B是信号带宽，f是信号频率，θ是虚拟方向角 表示信号发射角，波束主瓣范围 表示函数w^Ha(f，θ)a^H(f，θ)w在D_ML范围内对f的积分，右上角H表示矩阵或向量的共轭转置；

在给定波束中心方向θ₀下，带宽内不同频点处的波束增益在εdB内波动，γ≤w^Ha(f，θ₀)a^H(f，θ₀)w≤γ10^ε/10，其中ε表示波动的强度(dB)，同时为了更大的发射功率效率，需要限制波束旁瓣的平均增益f₀＞＞B，D_SL是波束主瓣之外(旁瓣)范围，其中D_ML∪D_SL＝[f_c-f₀，f_c+f₀]，∪表示并集；

根据以上分析，模拟波束w需满足：

P_o≤γζ，

其中w，γ是需要优化的波束及参数，M是指天线数目，即为波束向量w的元素个数，0＜ζ＜1。

3.根据权利要求1所述的模拟波束传输方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

根据表达式w^Ha(f，θ₀)aH(f，θ₀)w＝tr(a(f，θ₀)a^H(f，θ₀)·ww^H)，tr(a(f，θ₀)a^H(f，θ₀)·ww^H)表示矩阵a(f，θ₀)a^H(f，θ₀)·ww^H的迹，令X＝ww^H，则x是半正定矩阵，且矩阵x的秩rank(X)＝1，原波束优化问题变成半正定规划SDP问题，优化变量由w转变为x；

约束条件rank(X)＝1是非凸的，通过半正定规划松弛得到SDR问题，即去掉rank约束条件，

SDR问题通过Matlab中的CVX工具箱求的最优解X^*。

4.根据权利要求1所述的模拟波束传输方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

对由SDR问题得到的最优解X^*进行特征值分解，得到特征值μ₁≥μ₂≥…≥μ_M＞0，及相应的特征向量u₁，u₂，…，u_M；

通过定义的判决条件取有效特征向量集，特征值满足μ_r≥ξ＞μ_r+1，对应的有效特征向量集为{u₁，u₂，…，u_r}，其中参数0＜ξ＜1根据实际情况来定。

5.根据权利要求1所述的模拟波束传输方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

如果有效特征向量只有一个u₁，即秩r＝1，则采用直接波束传输，波束优化问题的可行解∠u表示取向量u的每个元素角度为w相对应元素的角度，波束增益表达式为P(f，θ)＝w^Ha(f，θ)a^H(f，θ)w；

如果r＞1，即有效特征向量集中有大于等于2个特征向量，则采用基于STBC的波束传输；从有效特征向量集中选取最佳的两个特征向量u_i和u_j，波束优化问题的可行解使最大化虚拟波束增益，其虚拟波束增益表达式为

6.根据权利要求1所述的模拟波束传输方法，其特征在于，所述步骤5具体为：

基于STBC的模拟波束传输在通信系统中的实现，需对导频信号进行修改，即对于K个用户，传输K条数据流，需要发送2K个导频信号，分别对相移器的相移矢量进行估计；对不同方向的用户，其基站发送信号的虚拟方向角θ不同，即导向矢量a(f，θ)不同，因此所对应的波束(w₁，w₂)也不同，即相移器的相移矢量不同；每条数据流通过发送2个导频信号，估计相移器的相移矢量，实现基于STBC的模拟波束传输。