CN110380763B - 收发方向图非互易全数字波束成形天线阵列及其实现方法 - Google Patents

收发方向图非互易全数字波束成形天线阵列及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种收发方向图非互易全数字波束成形天线阵列及其实现方法，该阵列实现构建无线通信系统，所述阵列中的收发通道单元实现信号的收发，该收发通道单元按照矩形栅格排布，把包括设有一部分通道仅具备接收或发射的单一功能。本发明公开的全数字波束成形阵列所形成的收发波束方向图是非互易的，即接收波束方向图和发射波束方向图不相同，在不损失系统性能的情况下可以大幅降低系统硬件成本，从而促进全数字波束成形阵列无线通信系统的大规模应用。

Description

收发方向图非互易全数字波束成形天线阵列及其实现方法
技术领域
本发明涉及微波毫米波无线通信系统，具体涉及一种收发方向图非互易全数字波束成形天线阵列及其实现方法。
背景技术
移动通信技术经过2\3\4G时代的演变，如今将逐步进入5G时代。相较于4G技术，5G希望在网络容量上实现1000倍提升，同时实现小于1ms的数据传输延时。为了实现上述目标，将采用超密集组网(Ultra-densification)、毫米波(mm-Wave)、大规模天线阵(MassiveMIMO)等关键技术。其中，全数字波束成形系统因为能在数字域内方便快速地实现波束成形、多波束和下行数据的预编码，减少了模拟移相器的使用，所以是实现大规模MIMO最直接有效的系统方案。另一方面，相较于混合波束成形阵列采用波束扫描实现小区覆盖的方式，全数字波束成形阵列可以实现对区域的同时覆盖，从而提升了小区的瞬时数据容量，就移动通信中的多用户通信场景而言有着显著的技术优势。
传统的收发全数字波束成形阵列要求射频通道数、数字信号到模拟信号转换器(DAC)数目与模拟信号到数字信号转换器(ADC)数目相等，这样才能灵活的实现收发方向图的波束赋形，且形成的收发方向图的波束宽度、波束增益等指标是一致的，称为收发方向图的互异性或对称性。这种收发方向图互易系统在之前的点对点无线通信系统、2\3\4G移动通信系统、相控阵雷达系统中被广泛采用。然而，5G无线通信系统相较之前的无线通信设备而言，在占用带宽上有着更大的需求。特别是毫米波无线通信设备，信道带宽要达到400MHz甚至更宽。为了实现宽带信号采样，同时为了采用大规模天线技术，就必须采用价格昂贵的多通道高速DAC/ADC芯片，硬件成本大幅提升。另一方面，如何处理如此庞大的数据量也成为了难题。这些问题限制了全数字波束成形系统在通信领域中的应用。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种收发方向图非互易的全数字波束成形天线阵列，本发明的第二目的是提供一种收到方向图非互异的全数字波束成形天线阵列的实现方法，解决传统全数字收发波束成形阵列及其所组建的通信系统架构上存在的上述不足问题。
技术方案：一种收发方向图非互易的全数字波束成形天线阵列，包括天线单元、射频单元和信号采样单元，所述天线单元与射频单元对应设置，所述天线单元和射频单元构成阵列的收发通道单元，所述收发通道按照栅格状周期性排列；所述收发通道单元设有兼具信号发射和接收功能的子单元一和仅具备发射或接收功能的子单元二，子单元一的收发通道的发射部分均接有等数目的数字信号到模拟信号转换器，其接收部分均接有等数目的模拟信号到数字信号转换器，所述的子单元二连接有等数目的数字信号到模拟信号转换器或等数目的模拟信号到数字信号转换器。
进一步的，所述收发通道单元阵列按照矩形、圆形、三角形或其它几何图形的栅格周期排布，其数目为M×N，则兼具发射与接收功能的子单元一的数目为P×Q，仅具有发射或接收功能的子单元二的数目为M×N-P×Q。
所述子单元一位于整个天线阵列的中心，子单元一构成的阵列中心与整个天线阵列中心重合，两者的相位中心重合。数目为P×Q的子单元一的阵列中心与整个M×N天线阵列的中心重合。这样，子阵列的相位中心和整个阵列的相位中心重合，也即子阵列的参考坐标系与整个阵列参考坐标系一致，方便目标位置估计与随后的信号传输过程，同时也为整个阵列的收发通道校准带来方便。
所述天线阵列在接收成形波束和发射成形波束方向图是非互易的，终端到阵列侧的上行信道与阵列到终端侧的下行信道是非相关的。
实现上述天线阵列的一种收发方向图非互易的全数字波束成形天线阵列的实现方法，所述天线阵列的发射过程将叠加有不同权值的数字发射信号经过DAC采样后变为模拟信号分配给各发射单元，然后通过天线单元发射出去，在空间形成特定指向的波束；所述天线阵列的接收过程将不同来向的空间信号经过各天线单元与相应接收射频单元后，被ADC采样变为数字信号；各路数字信号被赋予不同权值，叠加后在数字域形成指定方向的波束，所述阵列接收成形波束方向图和发射成形波束方向图为非互易、或非对称的。
进一步的，各路收发信号的幅度、相位加权的过程在基带数字域中进行；子单元二为仅具备发射功能的阵列结构时，发射过程所用的数字波束合成网络的维度为M×N，接收过程所用的数字波束合成网络的维度为P×Q；子单元二为仅具有接收功能的阵列结构时，接收过程所用的数字波束合成网络的维度为M×N，发射过程所用的数字波束合成网络的维度为P×Q，所形成的收发波束方向图在包括增益、主波瓣宽度在内各项指标上不同。
更进一步，所述的整个阵列中除去子阵列部分的通道单元只有接收功能的全数字波束成形系统的接收方向图为窄波束，发射方向图为宽波束，接收方向图比发射方向图增益高。收发方向图是非互易的。这种阵列结构适合用于接收信噪比与角度分辨率受限的场景中，如毫米波暗室测量系统与雷达成像系统。
有益效果：与现有技术相比，第一、本发明可以降低全数字波束成形系统的硬件成本，大幅降低数据处理的压力，降低侦听和建立通信链路的难度，降低系统功耗，同时又保留了全数字波束成形系统在小区覆盖与方向图赋形上的优势，使得全数字波束成形阵列在无线通信中的大规模商用化成为可能；第二、接收(或发射)通道数由原来的M×N降低为P×Q(P<M，Q<N)。这样，系统的硬件成本将大幅降低，总数据处理量将减少。第三、收发通道数的不一致使得系统收发方向图是非互易的(非对称的或不相同的)，为了保证整个无线通信的链路增益，可在用户端同样使用方向图非互易的无线终端设备，保证链路的稳健性。
附图说明
图1为本发明所述阵列收发通道分布结构示意图；
图2为本发明所述阵列构成的通信系统架构示意图；
图3为本发明所述阵列形成的收发非互易方向图示意图；
图4为本发明所述天线阵列的发射波束成形方向图；
图5为本发明所述天线阵列接收波束成形方向图。
具体实施方式
为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本发明公开了一种收发方向图非互易的全数字波束成形天线阵列及其实现方法，所实现的的是收发方向图非互易(非对称)的全数字波束成形阵列，突破了传统全数字收发波束成形系统架构，并且接收或发射的通道数由原来的M×N降低为P×Q(P<M，Q<N)。
具体的，如图1所示，一种收发方向图非互易的全数字波束成形天线阵列，包括M×N的按照矩形栅格周期排布的收发通道单元。其中数目为P×Q的子单元一2为阵列1的一部分。子单元一中的单元通道4兼具发射与接收功能，这些通道的发射部分均接有数字信号到模拟信号转换器(DAC)，接收部分均接有模拟信号到数字信号转换器(ADC)。天线阵列1的中除去子单元一2后剩余的通道单元仅具有发射(或接收)功能，通道仅接有DAC(针对单元仅有发射功能的情形)或ADC(针对单元仅有接收功能的情形)。这样接收成形波束方向图和发射成形波束方向图是不一样的，不再满足天线收发方向图的互易性。
下面对收发方向图非互易全数字波束成形阵列架构和波束成形过程作具体介绍：
整个全数字波束成形系统可以分为三部分：天线系统5、射频通道部分6和数模/模数(DAC/ADC)转换部分7，对应的是天线单元、射频单元和信号采集单元。具体的如图2所示。图2包括实现根据本发明所述的天线阵列组建的通信系统架构，天线系统5中每个天线单元均相同，按照矩形栅格周期排布成一个M×N的平面阵列。每个天线单元后独立的接有相应的射频通道。其中，子阵数目为P×Q的天线单元后面接的射频通道兼具有收发功能，可以采用射频开关(TDD系统)或频分双工器(FDD系统)做收发模式的切换。对于这部分通道，其发射链路独立地接有数字信号到模拟信号转换器(DAC)，为阵列提供发射源；接收链路独立地接有模拟信号到数字信号转换器(ADC)，采样阵列接收到的信号。整个天线阵列除去上述子阵单元，剩余天线单元后面只接有独立的发射通道，之后再接有独立的DAC通道，这里称为结构I，如图2所示。或者，剩余天线单元后面只接有独立的接收通道，最后再接有独立的ADC采样通道，这里称为结构II。对于结构I，其发射方向图利用的是全部的天线单元M×N，产生的发射方向图是窄波束方向图，而其接收方向图利用的是子阵单元P×Q，产生的接收方向图是宽波束。相反，对于结构II，其接收方向图利用的是全部的天线单元M×N，产生的接收方向图是窄波束方向图，而其发射方向图利用的是子阵单元P×Q，产生的发射方向图是宽波束。不论是结构I还是结构II，其波束成形的收发方向图不再一致，即不再满足天线方向图的收发互易性，所以称为收发方向图非互易或非对称全数字波束成形阵列。
假设各通道单元的加权因子按照行和列是可分离的，即对所有m∈M，n∈N,都有通道复数加权值
Figure GDA0002978718750000041
则平面阵的方向图就等于两个正交的直线阵列方向图的乘积。因为所有天线单元都采用相同的结构，其单元远区方向图基本一致，用
Figure GDA0002978718750000042
表示。天线单元按照x，y方向排布的间距分别用dx，dy表示。
对于结构I的发射波束成形过程，其M×N通道单元都是发射单元，则发射波束成形方向图利用的是天线阵列的全口径面。发射过程的通道复数加权因子用
Figure GDA0002978718750000044
表示为：
Figure GDA0002978718750000043
如上述内容提到的，该加权因子可按x，y方向分离，即
Figure GDA0002978718750000051
且有wt∈CM ×N。
x，y方向的阵列流矢量分别用x,y表示为：
Figure GDA0002978718750000052
Figure GDA0002978718750000053
其中k表示计算频率下的波矢量，
Figure GDA0002978718750000054
[·]T表示向量转置。
对于结构I的发射波束成形方向图可以表示为：
Figure GDA0002978718750000055
其中，tr(·)表示矩阵的迹运算，at＝xTy代表整个阵列的发射波束流失量且有at∈CN×M。
类似的，对于结构I的接收波束成形过程，只有P×Q个接收通道参与，其接收波束成形方向图可以表示为：
Figure GDA0002978718750000056
其中，接收阵列的加权因子满足wr∈CP×Q，接收波束流失量满足ar∈CQ×P。
从发射波束成形方向图表达式(4)和接收波束表达式(5)中可以清楚得看到
Figure GDA0002978718750000057
即阵列的发射波束方向图和接收波束方向图是非互易的。图3给出了结构I型收发方向图非互易全数字波束阵列的收发波束方向图示意图与其典型应用场景。其中附图标记8代表本发明所涉及的全数字波束阵列，附图标记9代表接收宽波束，附图标记10代表发射窄波束。可以看到，对于无线通信中基站与多用户通信场景，接收宽波束能保证小区的覆盖，同时减少了价格相对昂贵的ADC采样芯片的数量，降低了整个阵列的硬件成本。ADC数量的减少也相应减少了整个接收过程的数据量，减轻了数据处理的压力，降低了系统功耗。另一方面，通过发射波束赋形，产生高增益的窄波束增强整个链路的稳健性，通过波束扫描实现不同用户直接与基站的通信。用户设备端同样可以采用结构I型的收发方向图非互易设备，这样基站侧接收功率
Figure GDA0002978718750000058
(上行链路)可以表示为：
Figure GDA0002978718750000059
其中
Figure GDA0002978718750000061
表示用户端的发射功率，
Figure GDA0002978718750000062
表示用户端设备发射波束方向图增益，FL(dB)链路损耗，
Figure GDA0002978718750000063
表示基站端接收波束增益。
用户侧的接收功率
Figure GDA0002978718750000064
(下行链路)可以表示为：
Figure GDA0002978718750000065
其中
Figure GDA0002978718750000066
表示基站端的发射功率，
Figure GDA0002978718750000067
表示基站端发射波束方向图增益，
Figure GDA0002978718750000068
表示用户端接收波束增益。
因为基站端和用户端都采用结构I型方向图非互易全数字波束成形设备，所以有：
Figure GDA0002978718750000069
可以看到，虽然两端均采用结构I型方向图非互易全数字波束成形设备，但上下行链路增益可以保持一致，即链路稳定性仍然有保证。
图4为实测得到的一个结构I型8×8收发方向图非互易全数字波束成形阵列的发射波束方向图。该阵列中间4×4个单元兼有收发通道，其余通道只有发射功能。图5为实测得到的该阵列接收波束成形方向图。
对于硬件成本与接收数据处理非受限的场景，采用结构II型方向图非互易全数字波束成形阵列可以得到接收方向图为窄波束，发射方向图为宽波束的收发非互易波束，进而可以提升系统的接收信噪比，提高接收信号的角度分辨率。结构II型收发方向图非互易全数字波束成形阵列可以用在暗室测量系统与雷达成像系统中。

Claims (5)

1.一种收发方向图非互易的全数字波束成形天线阵列，包括天线单元、射频单元和信号采样单元，其特征在于：所述天线单元与射频单元对应设置，所述天线单元和射频单元构成阵列的收发通道单元，所述收发通道单元按照栅格状周期性排列，其数目为M×N，则子单元一的数目为P×Q，子单元二的数目为M×N-P×Q；所述收发通道单元设有兼具信号发射和接收功能的子单元一和仅具备发射或接收功能的子单元二，子单元一的收发通道单元的发射部分均接有等数目的数字信号到模拟信号转换器，其接收部分均接有等数目的模拟信号到数字信号转换器，所述的子单元二连接有等数目的数字信号到模拟信号转换器或等数目的模拟信号到数字信号转换器,所述天线阵列在接收成形波束和发射成形波束方向图是非互易的，终端到阵列侧的上行信道与阵列到终端侧的下行信道是非相关的。
2.根据权利要求1所述的收发方向图非互易的全数字波束成形天线阵列，其特征在于：所述收发通道单元阵列按照矩形、圆形、三角形的栅格周期排布。
3.根据权利要求1所述的收发方向图非互易的全数字波束成形天线阵列，其特征在于：所述子单元一位于整个天线阵列的中心，子单元一构成的阵列中心与整个天线阵列中心重合，两者的相位中心重合。
4.如权利要求1-3任一项所述的收发方向图非互易的全数字波束成形天线阵列的实现方法，其特征在于：所述天线阵列的发射过程将叠加有不同权值的数字发射信号经过DAC采样后变为模拟信号分配给各发射单元，然后通过天线单元发射出去，在空间形成特定指向的波束；所述天线阵列的接收过程将不同来向的空间信号经过各天线单元与相应接收射频单元后，被ADC采样变为数字信号；各路数字信号被赋予不同权值，叠加后在数字域形成指定方向的波束，所述阵列接收成形波束方向图和发射成形波束方向图为非互易、或非对称的。
5.根据权利要求4所述的一种收发方向图非互易的全数字波束成形天线阵列的实现方法，其特征在于：各路收发信号的幅度、相位加权的过程在基带数字域中进行；子单元二为仅具备发射功能的阵列结构时，发射过程所用的数字波束合成网络的维度为M×N，接收过程所用的数字波束合成网络的维度为P×Q；子单元二为仅具有接收功能的阵列结构时，接收过程所用的数字波束合成网络的维度为M×N，发射过程所用的数字波束合成网络的维度为P×Q，所形成的收发波束方向图在包括增益、主波瓣宽度在内各项指标上不同。
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