CN109743089A - 带辅助相移器组的毫米波多精度模拟码本产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开带辅助相移器组的毫米波多精度模拟码本产生装置及方法，所述装置为单一射频链通过一个二功分器分成两条支路，其中一条支路固定连接到一组基本相移器组，另一支路通过射频开关连接到辅助相移器组，两路相移器组相应位置上的输出通过加法器求和后推动相应位置上的功率放大器，其输出连接到均匀线性阵列的天线上；然后通过算法将两路相位器组均配置为离散傅里叶阵列加权矢量形式，通过联合运用减小虚拟子阵列规模和多子波束拼接技术拓宽波束宽度，通过相位补偿改善合成波束的带内平坦度。本发明只采用一条射频链，通过增加一个射频开关、一组辅助相位器组和一组加法器组提高码本主带内平坦度，具有优良的角度估计性能。

Description

带辅助相移器组的毫米波多精度模拟码本产生装置及方法

技术领域

本发明属于无线通信技术，具体涉及一种带辅助相移器组的毫米波多精度模拟码本产生方法。

背景技术

近十年，毫米波(mmWave)和子太兆赫兹(sub-THz)波段通信由于其具有丰富的频谱资源，吸引了学术界和工业界广泛的关注。为对抗高频段带来的传输损耗加大问题，在收发两端架设大规模天线阵列成为有效应对手段和必要选择。然而，随着天线数量的剧增，给信道估计带来了极大的挑战。基于硬件复杂度和信道估计开销的考虑，传统多输入都输出MIMO的信道估计策略用在mmWave和sub-THz通信系统上显得不切实际。考虑到高频段信道传输特性的稀疏性，在射频段进行模拟波束训练不失为一个折中而又切实可行的策略。基于波形训练的角度估计，其性能主要依赖进行训练的码本。好的码本要求在带内要有良好的平坦度，而在带外要尽量抑制泄漏，过渡带要求较快的收敛速度。

然而，目前大部分现存的多精度码本要想获得良好的波束样式，需要利用多条射频链(RF chain)进行幅度调整，硬件代价较大。而单RF chain的模拟多精度码本往往存在主带内波束增益起伏较大、带外泄漏比较严重和过渡带衰减较慢等不足，进而降低了角度估计性能。

针对上述现有码本存在的缺陷，本发明通过增加一组辅助相位器组和一个射频开关等有限的硬件代价，综合运用减小虚拟子阵列规模和多子波束拼接技术进行波束拓宽，产生多精度码本中的低层宽波束宽度的码字构造问题。通过有效的处理子波束间的耦合问题，改善了主带内的波束起伏大、过渡带衰减过慢的问题。提高了波束训练角度估计的准确度，可达速率得到了提高。

发明内容

发明目的：针对现有模拟多精度码本存在带内起伏较大、过渡带内衰减过慢的缺陷，本发明提供一种带辅助相移器组的毫米波多精度模拟码本产生装置及方法，包括带辅助相移器组的毫米波多精度模拟码本发生装置和多精度模拟码本产生算法。

技术方案：一种带辅助相移器组的毫米波多精度模拟码本发生装置，包括单一射频链、二功分器、射频开关、相移器、加法器、功率放大器、均匀线性阵列；单一射频链通过一个二功分器分成两条支路，其中一条支路固定连接到基本相移器组，另一支路通过射频开关连接到辅助相移器组，两路相移器组相应位置上的输出通过加法器求和后连接到相应位置上的功率放大器，功率放大器的输出连接到均匀线性阵列的天线上。

进一步的，所述均匀线性阵列为半波长天线间距的均匀线性阵列。

一种带辅助相移器组的毫米波多精度模拟码本产生方法，包括如下步骤：

(1)根据均匀线性阵列的天线数N确定多精度码本的层数S＝log₂N+1；根据天线数N和码本层数S＝log₂N+1确定两条支路对应的模拟码本维度S×2^S×N，并将之初始化为和

(2)从第s＝S-1层开始到第s＝0层逐层生成码本；

(3)算法结束。

进一步的，步骤(2)所述码本的生成包括如下具体步骤：

(21)为给定当前层s计算配置参数：每个码字对应的波束宽度B_s＝2/2^s，当前层s距离最外层S-1的层数差Δs＝S-s-1，相位器组激活因子μ＝Δs％2+1，虚拟子阵列的数目每一个虚拟子阵列的天线数目N_s＝N/M_s及子波束有效带宽B_s ＝2/N_s；

(22)产生当前第s层第一个码字F_RF(s,1)：当μ＝1时，将功分器和射频开关设定为β＝[β₁,β₂]＝[0,1]，同时将码字F_RF(s,1)中两组相移器组的阵列加权矢量f₁和f₂配置为F_RF(s,1)＝[f₁,f₂]＝[[0]_N×1,f₂]，其中第二组基本相移器组的阵列加权矢量配置为1≤m≤M_s，当μ＝2时，将功分器和射频开关设定为同时将码字F_RF(s,1)＝[f₁,f₂]中两组相移器组的阵列加权矢量f₁和f₂配置为其中1≤m≤M_s，i＝1,2，第i组相移器组的第m个虚拟子阵列的中心导向角为Φ_i,m＝-1+(i-1/2)B_S +(m-1)μB_S ，第i组相移器组的第m个虚拟子阵列的相位补偿因子为θ_i,m＝(m-1)[(μ-1)Δθ₁+Δθ₂]+(i-1)Δθ₁，此处的Δθ₁和Δθ₂分别为Δθ₁＝-π(N_s-1)B_s /2和Δθ₂＝-π(N_s-1)B_s /2+πN_s(m-1)μB_s ]；

(23)由步骤(22)构造出的第s层第一个码字F_RF(s,1)生成该层的任意第n个码字1≤n≤2^s，并将之分别存入各自的码本中和

(24)若s＝＝0则算法执行步骤(3)，否则s＝s-1并转至步骤(21)。

有益效果：与现有技术相比，本发明显著的效果在于：本发明将两组相位器均配置为离散傅里叶阵列加权矢量形式，联合运用减小虚拟子阵列规模和多子波束拼接技术两项技术进行波束拓宽，一方面，所述方法中虚拟子阵列配置成离散傅里叶阵列加权矢量形式，在导向角两侧的主带内获取了更大的波束增益，同时阵列上的所有天线均处于激活状态，充分利用了阵列增益；另一方面，该方法产生的模拟码本的波束样式带内起伏明显改善、过渡带衰减速度加快，具有优良的角度估计性能。

附图说明

图1为本发明所述装置的硬件结构示意图；

图2为本发明所述的方法实施案例码字波束增益图。

具体实施方式

为了详细的说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例做进一步的阐述。

本发明所公开的一种带辅助相移器组的毫米波多精度模拟码本产生装置，本实施例均匀线性阵列包含16根半波长间距天线。

本实施例的硬件结构如附图1所示，包括一条射频链1(RF chain)、一个二功分器2(Splitter)、一个射频开关3、两组16单元相移器(PS)、一组16单元加法器5(Adder)、一组功率放大器6(包括16个PA)和一个半波天线间距的16元均匀线性阵列7。单条RF chain的输出通过一个Splitter分成上下两条支路，其中下面一条支路固定连接到一组基本相移器组402，另一支路通过射频开关连接到辅助相移器组401，两路相移器组相应位置上的输出通过加法器求和后推动相应位置上的PA功放，在16根天线的均匀线性阵列上形成波束。

现有模拟多精度码本射频硬件结构中，只含有一组相移器组，导致得到的波束赋形存在带内起伏过大、旁瓣衰减过慢的缺陷；同时，需要为阵列内一半的天线配置射频开关，导致设计的波束样式可能有一半的阵列增益没有用上。为了改善这些不足，本发明采用增加一组可控的辅助相移器组。

本实施例对单射频链模拟多精度码本生成的具体实现方法如下：

步骤1：初始化——根据均匀线性阵列的天线数N＝16确定多精度码本的层数S＝log₂N+1＝5；根据天线数N＝16和码本层数S＝log₂N+1＝5确定两条支路对应的模拟码本维度S×2^S×N＝5×32×16，并将之初始化为和

步骤2：从第s＝S-1＝4层开始到第s＝0层逐层生成码本，对每一给定层，如s＝1，其码本的生成分成四个子步骤：

子步骤(1)：为给定当前层s计算配置参数：每个码字对应的波束宽度B_s＝2/2^s＝1，当前层s距离最外层S-1的层数Δs＝S-s-1＝3，相位器组激活因子μ＝Δs％2+1＝2，虚拟子阵列的数目每一个虚拟子阵列的天线数目N_s＝N/M_s＝8和子波束有效带宽B_s ＝2/N_s＝1/4；

子步骤(2)：产生当前第s＝1层第一个码字F_RF(1,1)：此时μ＝2时，将功分器和射频开关设定为同时将码字F_RF(s,1)＝[f₁,f₂]中两组相移器组的阵列加权矢量f₁和f₂配置为其中1≤m≤2，i＝1,2，第i组相移器组的第m个虚拟子阵列的中心导向角为Φ_i,m＝-1+(i-1/2)/4+2(m-1)/4，(在此例中

注意到f_1,1、f_2,1、f_1,2、和f_2,2这四个子波束的覆盖范围为这正是多精度码本第s＝1第一个码字应该覆盖的范围[-1,-1+B₁)＝[-1,-1+1))，第i组相移器组的第m个虚拟子阵列的相位补偿因子为θ_i,m＝(m-1)[Δθ₁+Δθ₂]+(i-1)Δθ₁，此处的Δθ₁和Δθ₂分别为Δθ₁＝-7π/8和Δθ₂＝-7π/8+4π(m-1)]，用于改善四个子波束间的平坦度，最终得到如附图2中标注为s＝1的波束增益曲线(横轴为空间频率角度，定义为物理角度的余弦；纵轴为波束增益Beam Gain)，类似的，可以得到其它层的第一个码字如附图2所示的波束增益曲线；

子步骤(3)：由子步骤(2)构造出的第s层第一个码字F_RF(s,1)生成该层的任意第n个码字1≤n≤2^s，并将之分别存入各自的码本中和

子步骤(4)：若s≠0则s＝s-1并转至子步骤(1)，否则算法结束。

本发明提供的一种带辅助相移器组的毫米波多精度模拟码本产生方法，该方法针对现有单根射频链驱动的模拟多精度码本带内波束增益起伏过大、边带衰减较慢的缺陷，提出一种带辅助相移器组的单射频链模拟多精度码本的生成方法；在该方法中，两组相位器均配置为离散傅里叶阵列加权矢量形式，波束拓宽联合运用减小虚拟子阵列规模和多子波束拼接技术；该方法产生的模拟码本的波束样式带内起伏明显改善、过渡带衰减速度加快，具有优良的角度估计性能。

Claims (5)

1.一种带辅助相移器组的毫米波多精度模拟码本发生装置，其特征在于：包括单一射频链、二功分器、射频开关、相移器、加法器、功率放大器、均匀线性阵列；单一射频链通过一个二功分器分成两条支路，两路相移器组相应位置上的输出通过加法器求和后连接到相应位置上的功率放大器，功率放大器的输出连接到均匀线性阵列的天线上。

2.根据权利要求1所述的一种带辅助相移器组的毫米波多精度模拟码本发生装置，其特征在于：所述两条支路中一条支路固定连接到基本相移器组，另一支路通过射频开关连接到辅助相移器组。

3.根据权利要求1所述的一种带辅助相移器组的毫米波多精度模拟码本发生装置，其特征在于：所述均匀线性阵列为半波长天线间距的均匀线性阵列。

4.一种带辅助相移器组的毫米波多精度模拟码本产生方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)根据均匀线性阵列的天线数N确定多精度码本的层数S＝log₂N+1；根据天线数N和码本层数S＝log₂N+1确定两条支路对应的模拟码本维度S×2^S×N，并将之初始化为和

(2)从第s＝S-1层开始到第s＝0层逐层生成码本；

(3)算法结束。

5.根据权利要求4所述的一种带辅助相移器组的毫米波多精度模拟码本产生方法，其特征在于：步骤(2)所述码本的生成包括如下具体步骤：

(21)为给定当前层s计算配置参数：每个码字对应的波束宽度B_s＝2/2^s，当前层s距离最外层S-1的层数差Δs＝S-s-1，相位器组激活因子μ＝Δs％2+1，虚拟子阵列的数目每一个虚拟子阵列的天线数目N_s＝N/M_s及子波束有效带宽为B_s ＝2/N_s；

(22)产生当前第s层第一个码字F_RF(s,1)：当μ＝1时，将功分器和射频开关设定为β＝[β₁,β₂]＝[0,1]，同时将码字F_RF(s,1)中两组相移器组的阵列加权矢量f₁和f₂配置为F_RF(s,1)＝[f₁,f₂]＝[[0]_N×1,f₂]，其中第二组基本相移器组的阵列加权矢量配置为1≤m≤M_s，当μ＝2时，将功分器和射频开关设定为同时将码字F_RF(s,1)＝[f₁,f₂]中两组相移器组的阵列加权矢量f₁和f₂配置为其中1≤m≤M_s，i＝1,2，第i组相移器组的第m个虚拟子阵列的中心导向角为Φ_i,m＝-1+(i-1/2)B_S +(m-1)μB_S ，第i组相移器组的第m个虚拟子阵列的相位补偿因子为θ_i,m＝(m-1)[(μ-1)Δθ₁+Δθ₂]+(i-1)Δθ₁，此处的Δθ₁和Δθ₂分别为Δθ₁＝-π(N_s-1)B_s /2和Δθ₂＝-π(N_s-1)B_s /2+πN_s(m-1)μB_s ]；

(23)由步骤(22)构造出的第s层第一个码字F_RF(s,1)生成该层的任意第n个码字1≤n≤2^s，并将之分别存入各自的码本中和

(24)若s＝＝0则算法执行步骤(3)，否则s＝s-1并转至步骤(21)。