CN111049560A - 面向5g c-ran系统的光码本混合波束成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向5G C‑RAN系统的光码本混合波束成形方法，首先给混合预编码系统的发射端和接收端分配射频链路，再利用多波长激光源产生多个均匀间隔的光载波，进而生成光码本；然后基于光码本依次完成N_t ^RF条RF链路进行模拟预编码处理和数字预编码处理，再通过电光调制器进行调制，从而使预编码处理后的结果调制到选定的光载波上，进而通过分插复用器和无源解复用器进行混合波束成形的相关处理，最后在发射端天线处通过无线信道传输，被用户接收。

Description

面向5G C-RAN系统的光码本混合波束成形方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种面向5G C-RAN 系统的光码本混合波束成形方法。

背景技术

无线通信中新兴的业务，例如4K/8K高清视频、虚拟/增强现实，需要大量传输带宽，而多输入多输出(MIMO)和毫米波(mmWave)通信的融合被认为是实现5G容量KPI的有效方式。

MIMO技术，尤其是混合波束成形技术，对于实现高数据速率毫米波通信至关重要。考虑的5G早期部署中成本与能耗的制约，混合波束成形是切实可行的方案。但是在实际应用中将毫米波通信落实仍然面临诸多难题。一方面，毫米波通信载波频率是传统频段的十倍以上，信号穿透能力被削弱。其次，毫米波通信在硬件上的实现也是难点。2010年，贝尔实验室在理论上证明了大规模MIMO的可行性，给出了全数字MIMO的实现方案，并推导出重要的结论：随着天线数量不断增加，各用户的信道逐渐趋于正交；2014年高通公司等提出了基于混合波束成形的大规模MIMO实现方式，并给出了一种计算模拟与数字预编码矩阵的算法，该算法基于正交匹配追究(OMP)，求得的最优模拟与数字预编码矩阵的联合矩阵满足与最优全数字预编矩阵的差值的范数最小；2016年，多伦多大学提出了一种数字与模拟预编码矩阵的分级优化方案，将混合波束成形中模拟与数字预编码矩阵的联合优化问题解耦，通过分级处理的思想，分别得到最优的模拟预编码矩阵与最优的数字预编码矩阵。

另一方面，云无线接入网络(C-RAN)是有效支持下一代移动通信系统的技术之一。C-RAN系统可以集中控制和管理无线接入点，显著提高传输的频谱效率。与传统单小区处理相比，C-RAN架构的一个重要优势是可以通过波束成形实现多个AAU直接的协作传输与接收。在C-RAN系统中，基带处理过程集中与虚拟化的基带单元(BBU)池中。

纵观目前已有的波束成形方案，无论是基于电子器件的大规模MIMO方案，还是基于光相控阵的模拟波束成形方案，都难以有效兼容5G C-RAN(5G毫米波云无线接入网络)的集中结构，不可避免地增加了AAU处的复杂度。因此，在C-RAN系统中如何实现可以支撑毫米波波束成形的移动前传，仍然是5G和 B5G的主要挑战。

通常，为了支持毫米波波束成形技术，在5G C-RAN系统需要使用天线远程化技术，即将天线部署在系统前端。例如，在物理层分割的5G RAN系统的有源天线单元(AAU)处部署模拟波束成形器或权重控制模块，并且假定波束成形的控制算法在集中式单元/分布式单元(CU/DU)完成；下行频域波束成形功能移到AAU中，天线预编码位于DU中，预编码权值可以通过控制面从DU 发送到CU，上行信道估计在DU中实现。所以控制数据必须通过前传链路传输到AAU，这引入了额外的前传时延和带宽。因而，研究面向5G C-RAN架构的高性能、低成本与复杂度的mmWave混合波束成形对于5G的发展十分重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向5G C-RAN系统的光码本混合波束成形方法，利用光码本完成毫米波混合波束成形的计算及波束控制处理，省去复杂而昂贵的可调谐器件。

为实现上述发明目的，本发明一种面向5G C-RAN系统的光码本混合波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、给具有N_s个数据流的单用户全连接结构的混合预编码系统的发射端和接收端分别配备N_t ^RF和N_r ^RF条射频(RF)链路，混合预编码系统符合5G毫米波C-RAN结构；其中，N_s≤N_t ^RF≤M_t，M_t为发射端的天线数目；

(2)、利用多波长激光源(MLS)产生m个均匀间隔的光载波，波长间隔为Δλ；

将m个光载波的波长表示为一个1×m的向量；

p_s＝{λ₁,λ₂,...,λ_m}

将向量p_s映射生成一个M_t×K的光码本W_OC：

其中，K为码字数目，

是第n行k列天线的调整相位， n＝1,2…,M_t，k＝1,2,…,K；

(3)、对N_t ^RF条RF链路进行模拟预编码处理；

(3.1)、基于正交匹配追踪算法(OMP)生成一个M_t×N_t ^RF模拟预编码矩阵 F^omp _RF；

(3.2)、将矩阵F^omp _RF的每一列形成具有固定波束方向角的波束图，从而获得一个1×N_t ^RF波束方向角向量，记作最大角度向量θ_MA；

(3.3)、同理，利用光码本W_OC的所有列确定出一个1×K的波束方向角向量，记为角度向量θ_OC；

(3.4)、从角度向量θ_OC中选择N_t ^RF个波束方向角，组成1×N_t ^RF的波束方向角 向量，记为近似最大角度向量θ_NMA，其中，θ_NMA可以使得Frobenius范数 ||θ_NMA-θ_MA||²取最小值；

(3.5)、在光码本W_OC中，将波束方向角与θ_NMA相对应N_t ^RF列组成模拟预编码矩阵F^N _RF；

(4)、对N_s个数据流进行数字预编码处理；

(4.1)、确定数字预编码矩阵F^N _BB；

其中，上标H表示转置，上标(.)^-表示(.)的广义逆，F_opt为最优全数字预编码矩阵；

(4.2)、根据数字预编码矩阵F^N _BB对N_s个数据流进行数字预编码处理；

(5)、通过电光调制器将矩阵F^N _RF的每一列调制到选定的M_t个光载波上，再将数字预编码处理过的N_s个数据流调制到光载波上；

(6)、引入分插复用器，将步骤(5)调制后的光载波通过分插复用器复用后注入L-km单模光纤链路；

其中，波长为λ_i和λ_j的光载波间引入的真时延值差为：

Δτ_i,j＝(λ_j-λ_i)ΔλDL

其中，λ_j>λ_i，i,j∈[1,m]；D为色散系数；L为单模光纤的长度；

(7)、在混合预编码系统的前端处部署一个无源解复用器，无源解复用器的输出通道与向量p_s匹配；

然后通过一个m×M_t矩阵实现无源解复用器的信道和发射端天线之间的链接，再根据真时延值差Δτ_i,j，不同的光载波波长通过光电探测器在发射端天线处引入不同的相移值，进而实现混合波束成形；

(8)、混合波束成形完成后，在发射端天线处通过无线信道传输，被用户接收。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种面向5G C-RAN系统的光码本混合波束成形方法，首先给混合预编码系统的发射端和接收端分配射频链路，再利用多波长激光源产生多个均匀间隔的光载波，进而生成光码本；然后基于光码本依次完成N_t ^RF条RF链路进行模拟预编码处理和数字预编码处理，再通过电光调制器进行调制，从而使预编码处理后的结果调制到选定的光载波上，进而通过分插复用器和无源解复用器进行混合波束成形的相关处理，最后在发射端天线处通过无线信道传输，被用户接收。

同时，本发明一种面向5G C-RAN系统的光码本混合波束成形方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明仅仅需要在毫米波C-RAN系统的前端(AAU)处部署一个无源解复用器，而不用部署昂贵的TOF模块，这样降低了成本；

(2)、本发明在光载波波长通过光电探测器在发射端天线处引入不同的相移值，这样在传统的AAU中，可移除引入所需相移的可调设备，省去复杂而昂贵的可调谐器件；

(3)、本发明利用光码本实现了毫米波混合波束成形的计算以及波束控制处理，大大降低了C-RAN架构中波束成形的成本与复杂度。

附图说明

图1是本发明一种面向5G C-RAN系统的光码本混合波束成形方法原理图；

图2是基于光码本的混合波束成形框架图；

图3是一个8×14波长矩阵W_λ的示意图；

图4是不同预编码方法下的频谱效率R随SNR(ρ/σ²)的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种面向5G C-RAN系统的光码本混合波束成形方法原理图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种面向5G C-RAN系统的光码本混合波束成形方法，包括以下步骤：

S1、给具有N_s个数据流的单用户全连接结构的混合预编码系统的发射端和接收端分别配备N_t ^RF和N_r ^RF条射频(RF)链路，混合预编码系统符合5G毫米波 C-RAN结构；其中，N_s≤N_t ^RF≤M_t，M_t为发射端的天线数目；

S2、利用多波长激光源(MLS)产生m个均匀间隔的光载波，波长间隔为Δλ；

将m个光载波的波长表示为一个1×m的向量；

p_s＝{λ₁,λ₂,...,λ_m}

将向量p_s映射生成一个M_t×K的光码本W_OC：

其中，K为码字数目，

是第n行k列天线的调整相位， n＝1,2…,M_t，k＝1,2,…,K；

该光码本能够实现混合波束成形系统的模拟预编码器的集中实现。用于多个小区的光码本的物理实现可以部署到一个“位置”中；

当第k列相移差为

时，

其中，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M_t；

是相邻天线间的相位差，

是第k列第一个元素的相位值。

S3、对N_t ^RF条RF链路进行模拟预编码处理；

S3.1、基于正交匹配追踪算法(OMP)生成一个M_t×N_t ^RF模拟预编码矩阵 F^omp _RF；

S3.2、将矩阵F^omp _RF的每一列形成具有固定波束方向角的波束图，从而获得一个1×N_t ^RF波束方向角向量，记作最大角度向量θ_MA；

S3.3、同理，利用光码本W_OC的所有列确定出一个1×K的波束方向角向量，记为角度向量θ_OC；

S3.4、从角度向量θ_OC中选择N_t ^RF个波束方向角，组成1×N_t ^RF的波束方向角向量，记为近似最大角度向量θ_NMA，其中，θ_NMA可以使得Frobenius范数||θ_NMA-θ_MA||₂取最小值；

S3.5、在光码本W_OC中，将波束方向角与θ_NMA相对应N_t ^RF列组成模拟预编码矩阵F^N _RF；

S4、对N_s个数据流进行数字预编码处理；

S4.1、确定数字预编码矩阵F^N _BB；

其中，上标H表示转置，上标(.)^-表示(.)的广义逆，F_opt为最优全数字预编码矩阵；

S4.2、根据数字预编码矩阵F^N _BB对N_s个数据流进行数字预编码处理；

S5、通过电光调制器将矩阵F^N _RF的每一列调制到选定的M_t个光载波上，再将数字预编码处理过的N_s个数据流调制到光载波上；

S6、引入分插复用器，将步骤S5调制后的光载波通过分插复用器复用后注入L-km单模光纤链路；

其中，波长为λ_i和λ_j的光载波间引入的真时延值差为：

Δτ_i,j＝(λ_j-λ_i)ΔλDL

其中，λ_j>λ_i，i,j∈[1,m]；D为色散系数；L为单模光纤的长度；

S7、在混合预编码系统的前端(AUU)处部署一个无源解复用器，无源解复用器的输出通道与向量p_s匹配，其中的AAU不需要波长控制模块；

然后通过一个m×M_t矩阵实现无源解复用器的信道和发射端天线之间的链接，再根据真时延值差Δτ_i,j，不同的光载波波长通过光电探测器在发射端天线处引入不同的相移值，进而实现混合波束成形；

在本实施例中，用户配备了4根天线和2条RF链。基于公式

通过设置N_cl＝4和N_l＝4来建模毫米波无线信道H，其中，与散射簇相对应的N_l个路径以5度的扩展角度紧密传播；此外，一个8×14波长矩阵W_λ的实例可以如图3所示；

在此实施例中，对系统进行仿真，仿真结果说明了不同预编码方法的总频谱效率R和SNR，即ρ/σ²之间的关系；具体过程为：

令等效信道He＝HF^N _RF，H表示无线信道；

系统频谱效率R表示为：

其中，n是方差为σ²的独立同分布的高斯噪声，即n～CN(0,σ²I_Mr)，I_Ms是一个Mr×Mr大小的单位矩阵；；ρ接收端接收到的平均功率，W_RF和W_BB分别代表在接收端处的模拟和数字组合矩阵，F_RF和F_BB代表在发射端处的模拟和数字预编码矩阵，

I_Ns是一个N_S×N_S大小的单位矩阵；

当接收端可以完美解码时，系统频谱效率的优化问题可以简化为：

最后频谱效率最大化问题可以转化为寻找近似最优的模拟预编码矩阵F^N _RF和数字预编码矩阵F^N _BB。

如图4所示，不同预编码方法下的频谱效率R随SNR(ρ/σ²)的变化曲线，其中最优全数字预编码方法的R曲线用圆圈表示，基于OMP混合预编码方法的R 曲线用菱形表示，所提的基于8×14W_OC的混合预编码(PC1)的R曲线用方块表示，所提的基于8×10W_OC混合预编码(PC2)的R曲线用三角表示；

图4中的插入图详细说明了N_s＝2和N_s＝1时这些R曲线的缩放，SNR＝6dB。与基于OMP混合预编码方法的性能相比，通过基于8×14W_OC和8×10W_OC的混合预编码(PC1和PC2)获得的R曲线略小于基于OMP的预编码。另外，与基于8×14W_OC的频谱效率相比，基于8×10W_OC的整体频谱效率降低了很小的值。因此，由较少的光学载体实现的W_OC也是可以接受的；

综上，基于光码本的混合波束成形(OC-HBF)方法的物理实现是基于部署在5G毫米波C-RAN系统的CU/DU中的W_OC，波束成形的控制算法和控制处理都可以保留在CU/DU中，大大降低了C-RAN架构中波束成形的成本与复杂度。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种面向5G C-RAN系统的光码本混合波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、给具有N_s个数据流的单用户全连接结构的混合预编码系统的发射端和接收端分别配备N_t ^RF和N_r ^RF条射频(RF)链路，混合预编码系统符合5G毫米波C-RAN结构；其中，N_s≤N_t ^RF≤M_t，M_t为发射端的天线数目；

(2)、利用多波长激光源(MLS)产生m个均匀间隔的光载波波，波长间隔为Δλ；

将m个光载波的波长表示为一个1×m的向量；

p_s＝{λ₁,λ₂,...,λ_m}

将向量p_s映射生成一个M_t×K的光码本W_OC：

其中，K为码字数目，

是第n行k列天线的调整相位，n＝1,2…,M_t，k＝1,2,…,K；

(3)、对N_t ^RF条RF链路进行模拟预编码处理；

(3.1)、基于正交匹配追踪算法(OMP)生成一个M_t×N_t ^RF模拟预编码矩阵F^omp _RF；

(3.2)、将矩阵F^omp _RF的每一列形成具有固定波束方向角的波束图，从而获得一个1×N_t ^RF波束方向角向量，记作最大角度向量θ_MA；

(3.3)、同理，利用光码本W_OC的所有列确定出一个1×K的波束方向角向量，记为角度向量θ_OC；

(3.4)、从角度向量θ_OC中选择N_t ^RF个波束方向角，组成1×N_t ^RF的波束方向角向量，记为近似最大角度向量θ_NMA，其中，θ_NMA可以使得Frobenius范数||θ_NMA-θ_MA||₂取最小值；

(3.5)、在光码本W_OC中，将波束方向角与θ_NMA相对应N_t ^RF列组成模拟预编码矩阵F^N _RF；

(4)、对N_s个数据流进行数字预编码处理；

(4.1)、确定数字预编码矩阵F^N _BB；

其中，上标H表示转置，上标(.)^-表示(.)的广义逆，F_opt为最优全数字预编码矩阵；

(4.2)、根据数字预编码矩阵F^N _BB对N_s个数据流进行数字预编码处理；

(5)、通过电光调制器将矩阵F^N _RF的每一列调制到选定的M_t个光载波上，再将数字预编码处理过的N_s个数据流调制到光载波上；

(6)、引入分插复用器，将步骤(5)调制后的光载波通过分插复用器复用后注入L-km单模光纤链路；

其中，波长为λ_i和λ_j的光载波间引入的真时延值差为：

Δτ_i,j＝(λ_j-λ_i)ΔλDL

其中，λ_j>λ_i，i,j∈[1,m]；D为色散系数；L为单模光纤的长度；

(7)、在混合预编码系统的前端处部署一个无源解复用器，无源解复用器的输出通道与向量p_s匹配；

然后通过一个m×M_t矩阵实现无源解复用器的信道和发射端天线之间的链接，再根据真时延值差Δτ_i,j，不同的光载波波长通过光电探测器在发射端天线处引入不同的相移值，进而实现混合波束成形；

(8)、混合波束成形完成后，在发射端天线处通过无线信道传输，被用户接收。

2.根据权利要求1所述的一种面向5G C-RAN系统的光码本混合波束成形方法，其特征在于，所述光码本W_OC的还满足：

当第k列相移差为

时，

其中，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M_t；

是第k列第一个元素的相位值。

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