CN113258293B - 基于组合分辨率移相器的毫米波大规模阵列波束成形系统 - Google Patents

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CN113258293B CN202110515018.5A CN202110515018A CN113258293B CN 113258293 B CN113258293 B CN 113258293B CN 202110515018 A CN202110515018 A CN 202110515018A CN 113258293 B CN113258293 B CN 113258293B
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Abstract

本发明提供了一种基于组合分辨率移相器的毫米波大规模阵列波束成形系统，包括数字预编码器、模拟预编码器、射频链路、天线，所述数字预编码器输入端接数据流，所述数字预编码器输出端分别通过所述射频链路与所述模拟预编码器相连，所述模拟预编码器与所述天线相连。本发明的有益效果是：1.本发明的毫米波大规模阵列波束成形系统用于解决混合波束成形硬件结构中的模拟部分所需高分辨率移相器个数较多导致的功耗较大、硬件成本高昂，以及所产生波束主瓣增益不够平坦、下降沿不够尖锐的问题；2.本发明的毫米波大规模阵列波束成形系统相比于传统的单分辨率移相器混合波束成形结构，能够极大降低系统功耗和硬件开销。

Description

基于组合分辨率移相器的毫米波大规模阵列波束成形系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域中的毫米波大规模通信系统，尤其涉及一种基于组合分辨率移相器的毫米波大规模阵列波束成形系统。
背景技术
毫米波通信系统中由于工作频率较高，通常需要使用大规模阵列产生指向性较强的波束以对抗相应的频率衰弱。此大规模阵列一般使用几百至上千个天线组成阵列，使用全数字器件组成波束成形器所需硬件成本及功耗都是难以接受的。因此目前大多数毫米波大规模阵列通信系统均采用混合波束成形，使用一个由模拟波束成形器和数字波束成形器通过射频链路进行级联的形式。当前已有的模拟波束成形结构，对于每一条射频链路而言，需要为每一个天线连接一个高分辨率的移相器以实现较高的波束调节自由度。
在实际系统进行波束成形的过程中，由于天线个数较多，使得信道矩阵的维度较大，直接根据信道矩阵估计值进行自适应波束成形需要对一个大维度矩阵进行奇异值或特征值分解，所需计算量极大，且对信道估计误差非常敏感，因此并不实际。目前实际系统及行业标准中，通常使用一种基于码本的工作策略，即将所有天线的移相器相位值组成一个波束成形向量，称为码字。然后根据移相器的分辨率限制及所需波束的方向图形态要求，设计所需的码字。所有设计好的码字组成一个集合，称为码本。在进行波束成形时，只需在码本中搜索，查找出最适合系统波束成形目标要求的码字，然后将码字中的相位值应用于对应的移相器上即实现了波束成形。
目前典型的毫米波大规模阵列通常采用数字-模拟混合波束成形结构，数字与模拟部分通过射频链路连接。对于一条射频链路而言，它同时与所有的天线相连接，与每个天线之间的连接通过移相器改变信号的相位以实现模拟波束成形。由于大规模阵列所产生的波束比较尖锐，因此通常需要使用高分辨率的移相器以增加波束设计的自由度。考虑到目前大规模阵列中的天线个数往往在几百至上千，这种传统结构也需要与天线个数相同的高分辨率移相器，导致其整体的功耗大幅度增加。以3比特精度的移相器为例，其相位分辨率为11°左右，基本能够符合含有256个天线的大规模阵列所需波束设计自由度的要求，但其单个功耗在25瓦特左右，因此仅移相器一项功耗就已经达到6.4千瓦。另外从硬件成本方面来看，目前国际市场上主流产品的单价在50美元左右，移相器部分的硬件总成本将高达1.28万美元。因此使用一个高分辨率移相器连接每个天线的传统混合波束成形结构，在功耗和硬件成本两方面都具有一定的局限性。
另一方面，从码字设计的角度而言，由于移相器只能改变信号的相位，不能改变信号的幅度，因此其对应的码字设计问题的约束条件是码字中的每个元素幅度均恒定为1。对于码字设计的优化问题而言，此种约束是一个典型的非凸约束，不能在多项式时间复杂度内求得闭合解。虽然由于移相器的精度有限，理论上可以进行穷举式搜索，但是由于移相器的精度较高且阵列含有天线个数较多，穷举式搜索所需计算复杂度非常高。以上述256天线，3比特分辨率移相器系统为例，其任意码字的可能相位值组合高达2768种，因此实际上无法进行穷举式搜索。目前已有的方法，通常需要对此问题进行半正定松弛，然后借助辅助变量进行求解。此类方法一方面对约束条件进行了松弛，不能保证结果的最优性，另一方面辅助变量的引入也需要一定的经验估计值以提升算法的收敛性。因此，现阶段广泛采用的有关松弛算法，受制于移相器的固定幅度限制，在结果最优性和计算复杂度上仍然具有一定的不足。
发明内容
本发明提供了一种基于组合分辨率移相器的毫米波大规模阵列波束成形系统，包括数字预编码器、模拟预编码器、射频链路、天线，所述数字预编码器输入端接数据流，所述数字预编码器输出端分别通过所述射频链路与所述模拟预编码器相连，所述模拟预编码器与所述天线相连；所述模拟预编码器包括功率分配器、高分辨率移相器、低分辨率移相器、加法器，所述射频链路为NRF条，所述功率分配器、所述高分辨率移相器的数量与所述射频链路数量相同，每条所述射频链路分别与对应的所述功率分配器相连，每个所述功率分配器分别与所述高分辨率移相器、所述低分辨率移相器相连，所述高分辨率移相器与所述加法器相连，所述低分辨率移相器依次与所述加法器、所述天线相连；所述天线、所述低分辨率移相器、所述加法器的数量分别为Nt个，每个所述低分辨率移相器的输入端依次与所述功率分配器相连，每个所述低分辨率移相器的输出端依次与单个所述加法器、对应的单条所述天线相连。
该毫米波大规模阵列波束成形系统根据理想化波束增益对码本中码字的所需移相器相位具体值通过对应的优化问题进行求解，得到接近理想波束增益的码字，根据所需来波方向从码本中选择最优码字进行信号发射。
作为本发明的进一步改进，还包括执行如下步骤：
步骤1：根据系统使用的天线个数(Nt)，计算天线导引矢量a(Ωθ)。
步骤2：根据系统实际需求，选择码本容量Q，码本中的码字分别指向空间方向角度Ω1，Ω2，…，Ωo，据此构建码本矩阵。
步骤3：根据码字及希望的空间覆盖范围ΩB，得到对应波束的理想增益，并计算增益矩阵。
步骤4：以高分辨率移相器的一个随机值作为初始值，设
Figure GDA0004121560550000031
和/>
Figure GDA0004121560550000032
分别为高分辨率移相器部分和低分辨率移相器部分的波束成形向量，进行变量代换，然后根据闭式最优解，求解对应最优v，即/>
Figure GDA0004121560550000033
步骤5：根据计算出的
Figure GDA0004121560550000034
使用Weiszfeld算法求解以/>
Figure GDA0004121560550000035
的Nt个顶点所构成多边形的费马——托里拆利点。
步骤6：以步骤5计算出的φ作为初始值，持续重复步骤4和5，直到达到所需的循环次数。
步骤7：将获得的高分辨率移相器相位和低分辨率移相器相位映射到符合移相器精度的最接近可能值，并输出码字
Figure GDA0004121560550000036
完成对码字的设计。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤1中，
Figure GDA0004121560550000037
其中是λ波长、d是天线间距、e是自然对数底数，T为向量的转置，j为虚数单位。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤2中，
Figure GDA0004121560550000038
作为本发明的进一步改进，在所述步骤3中，设指向空间方向Ωθ＝sinθ的理想波束增益为：
Figure GDA0004121560550000041
其中集合
Figure GDA0004121560550000042
为所需波束的空间覆盖范围；
增益矩阵公式如下：
g＝[g(Ω1)，g(Ω2)，…，g(ΩQ)]T。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤4中，设
Figure GDA0004121560550000043
和/>
Figure GDA0004121560550000044
分别为高分辨率移相器部分和低分辨率移相器部分的波束成形向量，进行变量代换/>
Figure GDA0004121560550000045
及/>
Figure GDA0004121560550000046
以及d＝Ar、/>
Figure GDA0004121560550000047
其中Re和Im分别代表实部和虚部。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤4中，闭式最优解公式如下：
Figure GDA0004121560550000048
Figure GDA0004121560550000049
其中[u]q代表u的第q个元素，q＝1，…，Nt
求解对应最优v公式如下：
[v]q＝[u]q+j[u]q。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤5中，设托里拆利点为
Figure GDA00041215605500000410
则φ＝φopt为高分辨率移相器/>
Figure GDA00041215605500000411
的相位值。
作为本发明的进一步改进，所述天线上设有功率放大器，每个所述低分辨率移相器的输出端依次与单个所述加法器、对应的单条所述天线上的所述功率放大器相连。
本发明的有益效果是：1.本发明的毫米波大规模阵列波束成形系统用于解决混合波束成形硬件结构中的模拟部分所需高分辨率移相器个数较多导致的功耗较大、硬件成本高昂，以及所产生波束主瓣增益不够平坦、下降沿不够尖锐的问题；2.本发明的毫米波大规模阵列波束成形系统相比于传统的单分辨率移相器混合波束成形结构，能够极大降低系统功耗和硬件开销。
附图说明
图1是本发明硬件部分原理框图。
具体实施方式
一、硬件部分：
本发明公开了一种基于组合分辨率移相器的毫米波大规模阵列波束成形系统，数字预编码器VD、模拟预编码器VA、射频链路、天线，所述数字预编码器VD输入端接数据流，所述数字预编码器输VD出端分别通过所述射频链路与所述模拟预编码器VA相连，所述模拟预编码器与所VA述天线相连；所述模拟预编码器VA包括功率分配器、高分辨率移相器、低分辨率移相器、加法器，所述射频链路为NRF条，所述功率分配器、所述高分辨率移相器的数量与所述射频链路数量相同，每条所述射频链路分别与对应的所述功率分配器相连，每个所述功率分配器分别与所述高分辨率移相器、所述低分辨率移相器相连，所述高分辨率移相器与所述加法器相连，所述低分辨率移相器依次与所述加法器、所述天线相连；所述天线、所述低分辨率移相器、所述加法器的数量分别为Nt个，每个所述低分辨率移相器的输入端依次与所述功率分配器相连，每个所述低分辨率移相器的输出端依次与单个所述加法器、对应的单条所述天线相连。
所述天线上设有功率放大器，每个所述低分辨率移相器的输出端依次与单个所述加法器、对应的单条所述天线上的所述功率放大器相连。
该毫米波大规模阵列波束成形系统的模拟部分中每条射频链路连接一个高分辨率移相器和Nt个低分辨率移相器并联的模拟波束成形结构。
该毫米波大规模阵列波束成形系统工作原理如下：
数据流先经过数字预编码器VD进行迫零(zero-forcing)数字预编码，然后通过NRF条射频链路与模拟预编码器VA进行连接。对于每条射频链路，其经过功率分配器分为两条相同的并联数据流，其中一条是由一个高分辨率移相器进行调相操作的，另外一条由Nt个(与天线个数相同)低分辨率移相器进行调相操作，其中每个低分辨率移相器连接一个天线，负责对应天线上信号的调相操作，经过高分辨率移相器和低分辨率移相器分别调相后的两条数据流通过加法器求和，并与每个对应的天线相连，将波束成形后的信号通过天线发射。
二、基于组合分辨率移相器的毫米波大规模阵列波束成形系统的码本波束成形算法
本发明在所提出的基于组合分辨率移相器的毫米波大规模阵列波束成形系统硬件结构的基础上，进一步提出了对应的码本波束成形算法。该毫米波大规模阵列波束成形系统根据理想化波束增益对码本中码字的所需移相器相位具体值通过对应的优化问题进行求解，得到接近理想波束增益的码字，根据所需来波方向从码本中选择最优码字进行信号发射。
设指向空间方向Ωθ＝sinθ的理想波束增益为：
Figure GDA0004121560550000061
其中集合
Figure GDA0004121560550000062
为所需波束的空间覆盖范围。此理想增益能够满足波束在给定空间覆盖范围(即波束的主瓣)上的增益足够大且尽量平坦，而在非覆盖范围内(即波束的旁瓣)增益尽量接近于零。则对于码本中的一个指向空间方向θi的码字/>
Figure GDA0004121560550000063
而言，其设计问题可以转化为令码字在全空间范围内的增益与理想波束增益相差最小的优化问题：
Figure GDA0004121560550000064
其中
Figure GDA0004121560550000065
是码字/>
Figure GDA0004121560550000066
中的第q个元素的幅度，a(Ωθ)是天线阵列的导引矢量，H为向量的共轭转置。假设系统使用的是含有Nt个天线的均匀线阵，则a(Ωθ)由下式给出：
Figure GDA0004121560550000067
其中是λ波长、d是天线间距、e是自然对数底数，T为向量的转置，j为虚数单位。令码本容量为Q，即码本中含有q个码字，它们分别指向空间方向角度Ω1，Ω2，…，ΩQ，则可以据此构建码本矩阵：
Figure GDA0004121560550000068
和对应的增益矩阵：
g＝[g(Ω1)，g(Ω2)，…，g(ΩQ)]T，
则由于码本容量Q足够大，离散优化问题：
Figure GDA0004121560550000071
离散优化问题的解将与令码字在全空间范围内的增益与理想波束增益相差最小的优化问题的解近似相同。例如对于一个Nt＝256的典型大规模阵列，Q通常取128，此时二者理论误差不大于π/128≈2.8°。
为了求解上述离散问题，将码字
Figure GDA0004121560550000072
分解为由单个高分辨率移相器实现部分和Nt个低分辨率移相器实现部分，即
Figure GDA0004121560550000073
其中
Figure GDA0004121560550000074
是低分辨率移相器对应的相位向量，其中元素的相位值各不相同，可以独立地自由变化，但由于其分辨率较低，可供选择的值较少；/>
Figure GDA0004121560550000075
为高分辨率移相器对应的相位向量，由于只有一个高分辨率移相器，其中元素的相位值是相同的，但由于其分辨率较高，可供选择的相位值较多。进而上述离散优化问题可以转化为：
Figure GDA0004121560550000076
其中φ是高分辨率移相器的相位值，功率分配器将高分辨率部分和低分辨率部分进行均匀分配。
在本发明中，上述问题采用一种交替优化的方式进行，令
Figure GDA0004121560550000077
为一个已知值，作变量代换/>
Figure GDA0004121560550000078
及/>
Figure GDA0004121560550000079
则上述转化问题的目标函数可以转化为：
Figure GDA00041215605500000710
其中D＝rHr+vHAAHv，d＝Ar。由A的定义可知
Figure GDA00041215605500000711
I为Nt×Nt的单位矩阵，因为/>
Figure GDA00041215605500000712
中各个元素为低分辨率移相器的相位值，幅度均为/>
Figure GDA00041215605500000713
因此vHAAHv＝QvHv为一个固定常量，在/>
Figure GDA0004121560550000081
为已知时，D也是一个固定常量。对码字进行高低分辨率分离后的优化问题至此转化为：
Figure GDA0004121560550000082
其中
Figure GDA0004121560550000083
上式中的t和u为两个辅助向量，Re和Im分别代表实部和虚部。上述问题存在闭式最优解：
Figure GDA0004121560550000084
且对应最优v可由下式给出：
[v]q＝[u]q+j[u]q。
此时即完成了当
Figure GDA0004121560550000085
为一个已知值，即所发明组合移相器波束成形结构中，假设高分辨率部分已经优化完成时，对低分辨率部分/>
Figure GDA0004121560550000086
的求解。
另一方面，假设低分辨率部分
Figure GDA0004121560550000087
的值已知时，高分辨率部分/>
Figure GDA0004121560550000088
中的每个元素相位均为φ，即/>
Figure GDA0004121560550000089
对应的优化问题是：
Figure GDA00041215605500000810
此时将
Figure GDA00041215605500000811
的第q个元素/>
Figure GDA00041215605500000812
视作复平面上一个点，理论最优的/>
Figure GDA00041215605500000813
将是/>
Figure GDA00041215605500000814
的Nt个顶点所构成多边形的费马——托里拆利点。求解此点的问题为一数学上的经典韦伯问题，可以采用Weiszfeld算法或其他启发式算法在线性时间复杂度内实现。设求解出的复平面费马——托里拆利点为/>
Figure GDA00041215605500000815
则近似最优的φ＝φopt。
通过以上算法，本发明能够实现对高分辨率部分
Figure GDA00041215605500000816
和低分辨率部分/>
Figure GDA00041215605500000817
的交替优化，在循环限制范围内输出近似最优的码字/>
Figure GDA00041215605500000818
完成对码字的设计，该毫米波大规模阵列波束成形系统实际工作时根据所需发射方向从设计的码本中选择最优码字进行信号发射。
本发明的有益效果：1.本发明的毫米波大规模阵列波束成形系统用于解决混合波束成形硬件结构中的模拟部分所需高分辨率移相器个数较多导致的功耗较大、硬件成本高昂，以及所产生波束主瓣增益不够平坦、下降沿不够尖锐的问题；2.本发明的毫米波大规模阵列波束成形系统相比于传统的单分辨率移相器混合波束成形结构，能够极大降低系统功耗和硬件开销。例如，对于一个含有256个天线的系统而言，如果使用传统的单精度移相器实现混合波束成形，每条射频链路使用256个3比特移相器，以当前主流产品的参数计算，模拟部分的功耗约为256×25mW＝6.4W，成本为256×50＝1.28万美元；而所提出的混合结构使用256个2比特移相器和1个4比特移相器，功耗降至256×10mW+40mW＝2.6W，成本降至256×15+120＝0.396万美元。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于组合分辨率移相器的毫米波大规模阵列波束成形系统，其特征在于：包括数字预编码器、模拟预编码器、射频链路、天线，所述数字预编码器输入端接数据流，所述数字预编码器输出端分别通过所述射频链路与所述模拟预编码器相连，所述模拟预编码器与所述天线相连；所述模拟预编码器包括功率分配器、高分辨率移相器、低分辨率移相器、加法器，所述射频链路为
Figure QLYQS_1
条，所述功率分配器、所述高分辨率移相器的数量与所述射频链路数量相同，每条所述射频链路分别与对应的所述功率分配器相连，每个所述功率分配器分别与所述高分辨率移相器、所述低分辨率移相器相连，所述高分辨率移相器与所述加法器相连，所述低分辨率移相器依次与所述加法器和所述天线相连；所述天线、所述低分辨率移相器、所述加法器的数量分别为/>
Figure QLYQS_2
个，每个所述低分辨率移相器的输入端分别与所述功率分配器相连，每个所述低分辨率移相器的输出端依次与单个所述加法器、对应的单条天线相连；
该毫米波大规模阵列波束成形系统根据理想化波束增益对码本中码字的所需移相器相位具体值通过对应的优化问题进行求解，得到接近理想波束增益的码字，根据所需来波方向从码本中选择最优码字进行信号发射。
2.根据权利要求1所述的毫米波大规模阵列波束成形系统，其特征在于，还包括执行如下步骤：
步骤1：根据系统使用的天线个数
Figure QLYQS_3
，计算天线导引矢量/>
Figure QLYQS_4
；
步骤2：根据系统实际需求，选择码本容量
Figure QLYQS_5
，码本中的码字分别指向空间方向角度
Figure QLYQS_6
，据此构建码本矩阵；
在所述步骤2中，
Figure QLYQS_7
；
步骤3：根据码字及希望的空间覆盖范围
Figure QLYQS_8
，得到对应波束的理想增益，并计算增益矩阵；
在所述步骤3中，设指向空间方向
Figure QLYQS_9
的理想波束增益为：
Figure QLYQS_10
其中集合
Figure QLYQS_11
为所需波束的空间覆盖范围；
增益矩阵公式如下：
Figure QLYQS_12
；
步骤4：以高分辨率移相器的一个随机值作为初始值，设
Figure QLYQS_13
和/>
Figure QLYQS_14
分别为高分辨率移相器部分和低分辨率移相器部分的波束成形向量，进行变量代换，然后根据闭式最优解，求解对应最优/>
Figure QLYQS_15
，即/>
Figure QLYQS_16
；
步骤5：根据计算出的
Figure QLYQS_17
，使用Weiszfeld算法求解以/>
Figure QLYQS_18
的/>
Figure QLYQS_19
个顶点所构成多边形的费马——托里拆利点；设托里拆利点为/>
Figure QLYQS_20
，则/>
Figure QLYQS_21
为高分辨率移相器
Figure QLYQS_22
的相位值；
步骤6：以步骤5计算出的
Figure QLYQS_23
作为初始值，持续重复步骤4和5，直到达到所需的循环次数；
步骤7：将获得的高分辨率移相器相位和低分辨率移相器相位映射到符合移相器精度的最接近可能值，并输出码字
Figure QLYQS_24
，完成对码字的设计。
3.根据权利要求2所述的毫米波大规模阵列波束成形系统，其特征在于，在所述步骤1中，
Figure QLYQS_25
其中是
Figure QLYQS_26
波长、/>
Figure QLYQS_27
是天线间距、/>
Figure QLYQS_28
是自然对数底数，/>
Figure QLYQS_29
为向量的转置，/>
Figure QLYQS_30
为虚数单位。
4.根据权利要求2所述的毫米波大规模阵列波束成形系统，其特征在于，在所述步骤4中，设
Figure QLYQS_33
和/>
Figure QLYQS_34
分别为高分辨率移相器部分和低分辨率移相器部分的波束成形向量，进行变量代换/>
Figure QLYQS_36
及/>
Figure QLYQS_32
，以及/>
Figure QLYQS_35
、/>
Figure QLYQS_37
，其中/>
Figure QLYQS_38
和/>
Figure QLYQS_31
分别代表实部和虚部。
5.根据权利要求2所述的毫米波大规模阵列波束成形系统，其特征在于，在所述步骤4中，闭式最优解公式如下：
Figure QLYQS_39
其中
Figure QLYQS_40
代表/>
Figure QLYQS_41
的第/>
Figure QLYQS_42
个元素，/>
Figure QLYQS_43
求解对应最优
Figure QLYQS_44
公式如下：
Figure QLYQS_45
。
6.根据权利要求1所述的毫米波大规模阵列波束成形系统，其特征在于：所述天线上设有功率放大器，每个所述低分辨率移相器的输出端依次与单个所述加法器、对应的单条所述天线上的所述功率放大器相连。
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