CN114006641A - 一种毫米波非对称大规模mimo收发系统架构 - Google Patents

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Abstract

本发明公布一种毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构，包含混合波束赋形发射机和全数字波束赋形接收机。该收发系统发射部分采用混合多波束的方式，在降低成本的同时可显著提高发射功率的效率；接收部分采用全数字波束赋形的方式，可以获得很宽的覆盖范围，简化波束调度与优化的复杂度；收发采用独立的天线阵列，可大幅度减少了射频收发开关的数量，提高发射机的发射功率并且降低接收机的噪声系数，进而提升收发系统整体的性能；且在不降低接收链路增益的情况下大幅度减少接收通道数目，降低系统成本及功耗。

Description

一种毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构
技术领域
本发明属于电子领域和无线通信技术领域，尤其涉及一种毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构。
背景技术
随着国内外5G通信技术的发展，毫米波移动通信因其大带宽、低延时越来越成为未来移动通信的研究热点。目前毫米波大规模MIMO收发系统大多是采用发射通道和接收通道数目相同的对称性设计，即发射通道和接收通道数量相同，然而，对称传输系统存在一些潜在的问题：
(1)对于对称设计的全数字多波束阵列，由于通道数较多，每个通道都有着完整的ADC、DAC以及接收发射前端，导致全数字对称多波束的系统复杂度、成本以及功耗较高；
(2)对于对称设计的混合多波束，其波束数量以及系统容量远不及全数字多波束；加上混合多波束由于波束较窄，在新用户入网时可能会由于波束的定位时间过长，导致用户入网时间过长或者入网失败。
传统的对称架构的收发系统在性能、功耗、成本以及系统复杂度上难以达到平衡，迫切需要一种新的通信系统架构来解决现有通信系统所存在的不足与缺陷。
发明内容
本发明目的在于提供一种毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构,以解决传统的对称架构的收发系统在性能、功耗、成本以及系统复杂度上难以达到平衡的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构，包括一个混合波束赋形发射机和一个全数字波束赋形接收机；
所述混合波束赋形发射机由M个相控子阵构成，每个相控子阵有N个射频发射通道，对应N个发射天线单元，混合波束赋形发射机共有M对基带信号输入馈电口和M*N个发射通道，基带输入馈电口通过同轴电缆与基带数字板连接，每个发射通道与对应的发射天线单元连接；
所述全数字波束赋形接收机由P个接收子板构成，每个接收子板有Q个接收通道，对应Q个接收天线单元，全数字波束赋形接收机共有P*Q个接收通道和P*Q和中频输出端口，每个接收通道与对应的接收天线单元连接，中频输出端口通过同轴电缆与基带数字板连接。
所述毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构采用独立的天线阵列，且接收通道数目P*Q小于发射通道数目M*N，实现非对称传输。
进一步的，所述混合波束赋形发射机和全数字波束赋形接收机采用多个线阵组合方式，天线单元采用端射阵子天线，天线间距采用射频中心频率半波长。
本发明的一种毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构，具有以下优点：
1、本发明的收发系统发射部分采用混合多波束的方式，在降低成本的同时可显著提高发射功率的效率；接收部分采用全数字波束赋形的方式，可以获得很宽的覆盖范围，简化波束调度与优化的复杂度；
2、本发明的收发采用独立的天线阵列，可大幅度减少了射频收发开关的数量，提高发射机的发射功率并且降低接收机的噪声系数，进而提升收发系统整体的性能；且在不降低接收链路增益的情况下大幅度减少接收通道数目，降低系统成本及功耗。
附图说明
图1为本发明的毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构示意图；
图2为本发明的毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构实施例示意图；
图3是本发明提供的实施例混合多波束发射机波束扫描测试结果示意图；
图4是本发明提供的实施例全数字多波束接收机波束扫描测试结果示意图；
图5是本发明提供的非对称收发系统发射双流测试结果示意图；
图6是本发明提供的非对称收发系统接收双流测试结果示意图。
图中标记说明：1、数据处理单元；2、第一数模转换器；3、宽带中频调制器；4、数控衰减器；5、第一带通滤波器；6、射频上变频器；7、第一基片集成波导带通滤波器；8、移相器；9、放大器；10、发射天线单元；11、接收天线；12、毫米波低噪声放大器；13、第二基片集成波导带通滤波器；14、射频下变频器；15、第二带通滤波器；16、中频数控衰减器；17、中频增益放大器；18、第三带通滤波器；19、第二数模转换器；20、中频基带发射链路；21、射频相控子阵；22、中频接收通道；23、射频接收前端。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构做进一步详细的描述。
参考附图1，本发明提供的毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构，包含一个混合波束赋形发射机和一个全数字波束赋形接收机。其中混合波束赋形发射机由M个相控子阵构成，每个相控子阵有N个射频发射通道，对应N个发射天线单元，混合波束赋形发射机共有M个基带信号输入馈电口和M*N个发射通道，基带输入馈电口通过同轴电缆与基带数字板连接，每个发射通道与对应的发射天线单元连接。全数字波束赋形接收机由P个接收子板构成，每个接收子板有Q个接收通道，对应Q个接收天线单元，全数字波束赋形接收机共有P*Q个接收通道和P*Q和中频输出端口，每个接收通道与对应的接收天线单元连接，中频输出端口通过同轴电缆与基带数字板连接。根据实际覆盖范围与通信性能的需求，混合波束赋形发射机和全数字波束赋形接收机可以有不同的子阵数目和天线单元数目，以实现不同增益和覆盖范围的波束。通过控制每个收发通道的幅度和相位可以得到不同强度和指向的波束，实现辐射波束的扫描。
毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构采用独立的天线阵列，且接收通道数目P*Q小于发射通道数目M*N，实现非对称传输。毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构采用独立的天线阵列，可以减少系统所需要的环形器或射频收发开关数量，提高混合波束赋形发射机的发射功率并且降低全数字波束赋形接收机的噪声系数，进而提升毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构整体的性能。毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构接收采用全数字波束赋形方式，接收利用全口径，可以在保持接收链路增益不变的情况下大幅度减少接收通道数目。
混合波束赋形发射机采用混合波束赋形架构，在保证发射窄波束以及高增益的基础上可以大大降低混合波束赋形发射机的成本，降低系统的复杂度。
全数字波束赋形接收机采用全数字波束赋形架构，可以同时接收并处理全角度的波束。全数字接收机波束赋形以及波束处理工作均在数字域中完成的，各个指向的波束可以同时并行处理，能够同时进行宽范围的波束寻找，从而可以快速锁定用户波束，实现波束的快速定位与追踪。
混合波束赋形发射机和全数字波束赋形接收机采用多个线阵组合方式，天线单元采用端射阵子天线但又不仅限于阵子天线，天线间距采用射频中心频率半波长左右，以实现良好的阵列波束性能。
参考附图2，为本发明的一个具体实施例。实施例所设计的毫米波非对称收发系统工作在28GHz频段，信号带宽为400MHz，采用时分双工(TDD)工作方式，其包括2个数字通道16个天线单元的混合波束赋形架构的发射机和4个天线单元的全数字波束赋形架构的接收机，其中混合多波束发射机主要由中频基带发射链路20及射频相控子阵21构成。数据处理单元1控制第一数模转换器2生成系统所需有的模拟信号基带波形，通过宽带中频调制器3将基带信号调制到中频，利用数控衰减器4实现发射信号的增益控制，并利用第一带通滤波器5滤除掉中频信号的杂散。经过射频上变频器6将中频信号变频至毫米波频段，利用第一基片集成波导带通滤波器7滤除本振泄露及镜像信号，射频信号一分八路分别经过移相器8移相处理及放大器9放大后接入到发射天线单元10实现信号的波束赋形。
全数字波束赋形接收机主要由射频接收前端23及中频接收通道22构成。空间中的信号经过接收天线11传输到毫米波低噪声放大器12，放大后的信号经过第二基片集成波导带通滤波器13选通滤波后经过射频下变频器14变频到中频信号，利用第二带通滤波器15滤除掉下变频的杂散，利用中频数控衰减器16和中频增益放大器17进行输出中频信号的增益控制，利用第三带通滤波器18实现中频信号频带的限制，然后中频信号经过超高速第二数模转换器19中频带通采样，并将采样后数据传输到数据处理单元1中进行相应的数据处理。
图3给出了给毫米波非对称收发系统的混合波束赋形发射机的波束扫描测试结果图，发射机具有良好的辐射方向图：不同指向方向的波束的副瓣抑制度大于12dB，零点抑制度也达到25dB以上，波束扫描范围达到±40°。图4给出了给毫米波非对称收发系统的全数字波束赋形接收机的波束扫描测试结果图，接收机具有良好的辐射方向图：不同指向方向的波束的副瓣抑制度大于10dB，零点抑制度也达到23dB以上，波束扫描范围达到±30°。
图5和图6分别给出了该毫米波非对称收发系统多流通信下的测试结果。在测试中，两个波束方向上同时发送和接收两个不相关的数据流(stream1和stream2)。测试结果显示，该非对称收发系统在发射双流、接收双流的情况下，每个数据流的EVM(误差矢量幅度)均小于8％，支持64QAM信号的解调，数据吞吐率达到4.2768Gbps，频谱效率为10.692bps/Hz。证明非对称毫米波大规模MIMO收发系统具有优异的数据传输能力，验证了非对称收发系统应用于毫米波移动通信的可行性。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (2)

1.一种毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构，其特征在于，包括一个混合波束赋形发射机和一个全数字波束赋形接收机；
所述混合波束赋形发射机由M个相控子阵构成，每个相控子阵有N个射频发射通道，对应N个发射天线单元，混合波束赋形发射机共有M对基带信号输入馈电口和M*N个发射通道，基带输入馈电口通过同轴电缆与基带数字板连接，每个发射通道与对应的发射天线单元连接；
所述全数字波束赋形接收机由P个接收子板构成，每个接收子板有Q个接收通道，对应Q个接收天线单元，全数字波束赋形接收机共有P*Q个接收通道和P*Q和中频输出端口，每个接收通道与对应的接收天线单元连接，中频输出端口通过同轴电缆与基带数字板连接；
所述毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构采用独立的天线阵列，且接收通道数目P*Q小于发射通道数目M*N，实现非对称传输。
2.根据权利要求1所述的毫米波非对称大规模MIMO收发系统架构，其特征在于，所述混合波束赋形发射机和全数字波束赋形接收机采用多个线阵组合方式，天线单元采用端射阵子天线，天线间距采用射频中心频率半波长。
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