CN112086751A - 基于固定移相器的太赫兹动态子阵列波束赋形系统及方法 - Google Patents

基于固定移相器的太赫兹动态子阵列波束赋形系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于固定移相器的太赫兹动态子阵列波束赋形系统及方法，包括：若干并联的发射端的射频链、设置于每个射频链输出端的若干个FPS单元、与FPS单元输出端相连的多选开关以及若干与多选开关相连的放大器及发射天线，射频链根据通信基带处理过后的信号进行数模转换、上变频、放大及滤波处理并输出高频信号，FPS单元根据输入的高频信号进行移相处理并输出移相后的高频信号，多选开关根据逐行算法控制信息连接相应的FPS单元与放大器单元，放大器根据天线输入信息进行信号放大处理并输出功率放大后的高频信号至发射天线。本发明使用固定移相器，将硬件移相器个数减少32倍的同时，能量效率提高76％并达到太赫兹系统高能量效率以及低硬件复杂度的要求。

Description

基于固定移相器的太赫兹动态子阵列波束赋形系统及方法
技术领域
本发明涉及的是一种无线通信领域的技术，具体是一种基于固定移相器的太赫兹动态子阵列波束赋形系统及方法。
背景技术
现有的纯数字波束赋形结构的硬件复杂度和功耗与天线数目成正比。在太赫兹超大规模多输入输出系统中，由于天线数目巨大，极高的硬件复杂度以及功耗使得纯数字波束赋形结构不再适用。现有改进技术通过混合波束赋形结构实现与纯数字波束赋形结构相近的频谱效率。与此同时，硬件复杂度和功耗相比于纯数字波束赋形结构大大降低。全连接结构和子阵列结构为较为常见的两种混合波束赋形结构，由于高功耗的影响，全连接结构的能量效率较低。与之相反，在子阵列结构中，天线与射频链路采用较为简单的部分连接的方式，因此功耗以及硬件复杂度较低。但是，受限于部分连接的方式，子阵列结构的频谱效率较低。由于这一原因，子阵列结构的能量效率也较低。太赫兹超大规模多输入输出系统需要同时具备高能量效率及低硬件复杂度，已有的全连接和子阵列结构均无法实现该要求。
改进型的子阵列结构通过加入开关网络来动态选择天线与射频链路之间的连接方式可以提高子阵列结构的频谱效率。相比较于子阵列结构，动态子阵列结构具有更高的频谱效率，但是由于额外的开关网络的引入，硬件复杂度以及功耗也随之提高。由于这一原因，相比较于子阵列结构，动态子阵列结构的能量效率提升有限，仍无法满足太赫兹系统要求。
发明内容
本发明针对现有动态子阵列结构需要利用无限分辨率移相器，导致硬件实现难度和功耗较高的问题，提出一种基于固定移相器的太赫兹动态子阵列波束赋形系统及方法，在动态子阵列结构中使用固定移相器，将硬件移相器个数减少32倍的同时，能量效率提高76％并达到太赫兹系统高能量效率以及低硬件复杂度的要求。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于固定移相器的太赫兹动态子阵列波束赋形系统，包括：若干并联的发射端的射频链、设置于每个射频链输出端的若干个FPS单元、与FPS单元输出端相连的多选开关以及若干与多选开关相连的放大器及发射天线，其中：射频链根据通信基带处理过后的信号进行数模转换、上变频、放大及滤波处理并输出高频信号，FPS单元根据输入的高频信号进行移相处理并输出移相后的高频信号，多选开关根据逐行(RBR)算法控制信息连接相应的FPS单元与放大器单元，放大器根据天线输入信息进行信号放大处理并输出功率放大后的高频信号至发射天线。
技术效果
本发明整体解决现有太赫兹超大规模多输入输出系统中波束赋形结构的硬件复杂度与功耗的技术问题；与现有技术相比，本发明使波束赋形结构中移相器数目减少为1/32倍，使波束赋形结构能量效率提高76％；经分析，动态子阵列(DS)架构中低量化精度移相器(QPS)和仅可进行固定相位偏移的固定移相器(FPS)，与使用无限分辨率移相器(IPS)相比，这两种移相器显著降低了硬件复杂度和功耗。
附图说明
图1为子阵列示意图；
图1中：(a)为固定子阵列；(b)为动态子阵列；(c)为具有低量化精度移相器的动态子阵列；(d)为本发明具有固定移相器的动态子阵列；
图2为频谱效率示意图；
图2中：(a)为本发明RBR算法与已有算法的频谱效率对比图，DS-QPS-2-bit与DS-QPS-1-bit为基于两比特和一比特的低量化精度移相器的动态子阵列结构；(b)为基于低量化精度移相器的动态子阵列的频谱效率示意图，其中FC为全连接结构，AoSA为子阵列结构，DS-IPS为基于无限分辨率移相器的动态子阵列结构；(c)为基于固定移相器的动态子阵列结构(DS-FPS)的频谱效率示意图；
图3为实施例效果示意图；
图4为实施例射频链示意图。
具体实施方式
如图1(d)所示，为本实施例涉及一种基于固定移相器的太赫兹动态子阵列波束赋形系统，包括：若干并联的发射端的射频链、设置于每个射频链输出端的若干个FPS单元、与FPS单元输出端相连的多选开关以及若干与多选开关相连的放大器及发射天线，其中：射频链根据通信基带处理过后的信号进行数模转换、上变频、放大及滤波处理并输出高频信号，FPS单元根据输入的高频信号进行移相处理并输出移相后的高频信号，多选开关根据RBR算法控制信息连接相应的FPS单元与放大器单元，放大器根据天线输入信息进行信号放大处理并输出功率放大后的高频信号至发射天线。
如图4所示，所述的射频链包括：依次相连的数模转换器、混频器、放大器以及滤波器，其中：混频器与太赫兹信号振荡器相连，将模拟信号进行调制后进行放大。
所述的FPS单元采用将输入信号的相位调节某一固定偏移功能的固定移相器。
所述的多选开关采用单刀多掷开关，其中：单刀端与放大器及天线相连，多掷端与FPS单元相连。
本实施例涉及上述系统的太赫兹动态子阵列波束赋形方法，包括以下步骤：
步骤1：将天线阵列、射频链分为m组，其中m可自由调节。每个射频链连接并行的m个FPS单元，其中FPS单元的调节相位从第一个到第m个依次设置为0，2π/m，…2π(m-1)/m。
步骤2：根据信道信息，运行RBR算法，计算得到多选开关的状态，具体为：
2.1随机初始化Nt行Lt列的矩阵PA，具体为：每一行仅设置一个模为一的非零元素，其他元素设置为零。
2.2计算
Figure BDA0002662084900000031
其中：
Figure BDA0002662084900000032
为广义逆矩阵操作，Popt为纯数字波束赋形矩阵。
2.3循环计算矩阵PA中每行的Lt列个元素的相位
Figure BDA0002662084900000033
其中：φ为PD的第k行与Popt的第i行的共轭转置的乘积的相位，N为任意非负整数。
2.4从Lt个相位中寻找使得
Figure BDA0002662084900000034
最小的结果，保留PA在该位置的值，并使其同一行中其他元素为0，以此方式遍历所有Nt行。
2.5令
Figure BDA0002662084900000035
后返回步骤2.2，直到算法收敛。
2.6根据PA＝S·F计算开关状态矩阵S，其中：对角矩阵F的对角线元素的模均为一，相位依次为0、2π/m、…、2π(m-1)/m，开关状态矩阵S中的元素值1表示开关闭合，0表示开关断开。
步骤3：根据计算结果，调节多选开关，使得每个FPS与相对应的放大器及天线单元相连接，从而完成波束赋形过程。
如图2和图3所示，本实施例在0.3THz的通信频率，40m通信距离，5GHz带宽的条件下，基于低量化精度移相器的动态子阵列结构可以实现0.42bps/Hz/W的能量效率。基于固定移相器的动态子阵列结构可以实现0.53bps/Hz/W的能量效率。
图2(a)中Solution in[10]为文献S.Park，A.Alkhateeb，and R.W.Heath，“Dynamic subarrays for hybrid precodingin wideband mmwave MIMO systems，”IEEETrans.Wireless Commun.，vol.16，no.5，pp.2907–2920，May.2017.中公开的算法。
本实施例经过大量的仿真结果表明，RBR算法提高了频谱效率，大大降低了计算复杂度。与DS-IPS相比，DS-QPS结构可以达到98％的频谱效率和136％的能量效率。此外，我们还发现，虽然DS-FPS架构的频谱效率比DS-QPS架构低21％，但低成本DS-FPS架构提供的能量效率比DS-QPS高30％。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种基于固定移相器的太赫兹动态子阵列波束赋形系统，其特征在于，包括：若干并联的发射端的射频链、设置于每个射频链输出端的若干个FPS单元、与FPS单元输出端相连的多选开关以及若干与多选开关相连的放大器及发射天线，其中：射频链根据通信基带处理过后的信号进行数模转换、上变频、放大及滤波处理并输出高频信号，FPS单元根据输入的高频信号进行移相处理并输出移相后的高频信号，多选开关根据逐行算法控制信息连接相应的FPS单元与放大器单元，放大器根据天线输入信息进行信号放大处理并输出功率放大后的高频信号至发射天线。
2.根据权利要求1所述的太赫兹动态子阵列波束赋形系统，其特征是，所述的射频链包括：依次相连的数模转换器、混频器、放大器以及滤波器，其中：混频器与太赫兹信号振荡器相连，将模拟信号进行调制后进行放大。
3.根据权利要求1所述的太赫兹动态子阵列波束赋形系统，其特征是，所述的FPS单元采用将输入信号的相位调节某一固定偏移功能的固定移相器。
4.根据权利要求1所述的太赫兹动态子阵列波束赋形系统，其特征是，所述的多选开关采用单刀多掷开关，其中：单刀端与放大器及天线相连，多掷端与FPS单元相连。
5.一种基于权利要求1～4中任一所述系统的太赫兹动态子阵列波束赋形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将天线阵列、射频链分为m组，其中m可自由调节，每个射频链连接并行的m个FPS单元，其中FPS单元的调节相位从第一个到第m个依次设置为0，2π/m，…2π(m-1)/m；
步骤2：根据信道信息，运行RBR算法，计算得到多选开关的状态；
步骤3：根据计算结果，调节多选开关，使得每个FPS与相对应的放大器及天线单元相连接，从而完成波束赋形过程。
6.根据权利要求5所述的太赫兹动态子阵列波束赋形方法，其特征是，步骤2中所述的RBR算法具体包括：
2.1随机初始化Nt行Lt列的矩阵PA，具体为：每一行仅设置一个模为一的非零元素，其他元素设置为零；
2.2计算
Figure FDA0002662084890000021
其中：
Figure FDA0002662084890000022
为广义逆矩阵操作，Popt为纯数字波束赋形矩阵；
2.3循环计算矩阵PA中每行的Lt列个元素的相位
Figure FDA0002662084890000023
其中：φ为PD的第k行与Popt的第i行的共轭转置的乘积的相位，N为任意非负整数；
2.4从Lt个相位中寻找使得
Figure FDA0002662084890000024
最小的结果，保留PA在该位置的值，并使其同一行中其他元素为0，以此方式遍历所有Nt行；
2.5令
Figure FDA0002662084890000025
后返回步骤2.2，直到算法收敛；
2.6根据PA＝S·F计算开关状态矩阵S，其中：对角矩阵F的对角线元素的模均为一，相位依次为0、2π/m、…、2π(m-1)/m，开关状态矩阵S中的元素值1表示开关闭合，0表示开关断开。
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