CN114039638A - 一种混合波束成形器与模数转换器联合设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合波束成形器与模数转换器联合设计方法，首先，根据信道信息状态及用户服务质量要求，选择每根射频链路连接的天线数目，设计模拟波束合成器。其次，优化配置每个模数转换器分辨率，并设计数字波束形成器。本发明旨在减少系统的成本开销，在能耗的优化和可靠性的保持间取得良好平衡。本发明在毫米波及更高频段的大规模天线阵列的通信系统中，采用分辨率自适应的模数转换器和动态非均匀子连接混合波束形成技术，根据信道状态信息和用户服务质量要求，动态调整基站的天线阵列和模数转换器的分辨率，降低上行链路通信系统能耗，提高系统频谱效率。

Description

一种混合波束成形器与模数转换器联合设计方法

技术领域

本发明涉及动态非均匀子连接的大规模天线混合波束形成技术，以及自适应分辨率模数转换器技术，具体涉及一种混合波束成形器与模数转换器联合设计方法。

背景技术

随着无线网络技术和移动终端电子设备的快速发展，未来接入网络的设备也越来越多。海量的感知通信设备接入无线网络，为万物智慧互联时代的发展提供了基础，许多诸如智能医疗、自动驾驶和智能城市等物联网应用服务也不断涌现。面对日益增长的新型网络应用业务和数据传输压力，毫米波及其更高频段(>30GHz)的超宽带通信传输，成为了当前重要的研究课题。

然而，与传统的sub-6GHz信号相比，在毫米波及其更高频段传输的电磁波信号的传播衰减更高。为此，在大规模多输入多输出(MIMO，Multiple-input multiple-output)系统中，通过在基站布署大量的天线，形成天线阵列，采用波束成形技术，可以有效增强毫米波及更高频段通信系统的覆盖范围和系统容量。为进一步降低大规模MIMO系统中的功耗过大和昂贵的硬件成本，混合模拟-数字波束形成技术(简称混合波束形成技术)和具有低分辨率模数转换器的接收机是有效的解决方案。在混合波束形成技术中，基于动态非均匀子连接天线阵列，根据信道质量条件和用户服务质量要求，调整每个射频链路的连接的天线单元以及模数转换器的分辨率，优化配置通信资源，可以充分利用大规模天线阵列的多天线分集增益，提高系统频谱效率和能量效率。

现有波束成形技术中，全数字波束技术要求每根天线单元均需要配置一条射频链路，在天线单元数目庞大的毫米波通信系统中，将造成较高的硬件成本和复杂度。其次，在混合波束形成技术中，固定的子连接天线阵列，缺少对信道质量和用户服务质量的动态调整功能。此外，现有通信系统的收发机采用高分辨率模数转换器(12-18比特分辨率)，将造成较高的硬件功率损耗。在分辨率自适应的模数转换器与动态子连接混合波束形成技术方面，当前的相关研究还不充分。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合波束成形器与模数转换器联合设计方法，针对毫米波及更高频段上行链路通信传输场景，优化配置通信资源，降低硬件复杂度和通信开销，提高系统吞吐量。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种混合波束成形器与模数转换器联合设计方法，包括以下步骤：

步骤1，在基站获取每个终端设备k的信道状态信息H及用户服务质量要求；

步骤2，初始化交替方向乘子法的迭代参数F_BB，Λ_b，Z和μ，用上标t表示迭代序号；F_BB为数字波束形成器，Λ_b为N个模数转换器的量化增益表示成的N维对角阵，Z为辅助变量，μ为对偶参数矩阵；

步骤3，令θ＝2π/2^B，计算φ_r，n的最佳相位：

其中，B为有限分辨率移相器的分辨率，φ_r，n为模拟波束合成器F_RF第(r，n)个非零元素的角度，

是e_r，n的角度，e_r，n＝F_DBFr，：[(Λ_bF_BB)_n，：]H，_FDBFr，；表示表示全数字波束形成器F_DBF的第r行元素，(Λ_bF_BB)_n，：表示Λ_bF_BB矩阵的第n行元素；

步骤4，使用一维度搜索法，实现：

将第n个天线映射到RF链，更新该RF链的相应动态天线子集A_n，并且每个天线子集之间不重叠，最终生成模拟波束合成器F_RF，表示为

步骤5，输入

和μ^t，采用交替方向乘子法更新辅助变量Z：

步骤6，输入

和μ^t，采用交替方向乘子法生成模数转换器的分辨率相应的量化增益：

步骤7，输入

和μ^t，采用交替方向乘子法更新数字波束形成器：

步骤8，输入Z^t+1，

和μ^t，采用交替方向乘子法更新对偶参数矩阵：

步骤9，重复步骤3到步骤8，直至拉格朗日函两次迭代之间的差值小于e，e是由用户服务质量要求所决定的可允许接受的误差值；输出F_RF，F_BB和Λ_b，通过Λ_b的元素λ_n求得模数转换器的分辨率b_n，即

进一步地，所述设计方法针对的系统为由K个单天线终端设备和大规模天线阵列基站构成的单小区毫米波及更高频段通信系统；

在基站上配备均匀线性阵列并部署R个接收天线和N个射频链路来接收K个数据流，且N＜R和K＜＜R；

针对多用户上行链路通信，基站端采用混合波束成形技术，即模拟波束合成器F_RF和数字波束形成器F_BB的串联结构；

在基站段，采用动态子连接阵列结构，每个射频链将通过开关网络和有限分辨率移相器，动态匹配到一个天线子阵列，天线子阵列所包含天线数量和位置均可调。

进一步地，使用一维搜索算法生成每个射频链路连接的最优动态天线子集，确定每个子集中的天线数目和位置，来确定F_RF每行元素的位置，进而生成F_RF，之后使用交替方向乘子算法解决该问题，引入辅助变量Z，优化问题表示如下：

s.t.C₁：||F_RF(r，；)||₀＝1

C₂：F_RF∈Θ^R×N

C₃：Λ_b-Z＝0

其中，R_k(F_RF，F_BB，Λ_b)表示用户k关于F_RF，F_BB和Λ_b的频谱效率，η_EE为非负辅助变量，K为单天线终端设备的数量，P(Λ_b)是关于Λ_b的系统功耗，

是指示函数，Θ^R×N为F_RF中可能的相移集合，F_RF(r，；)为F_RF的第r行元素，||F_RF(r，；)||0＝1表示F_RF每行只有一个非零的元素。

进一步地，关于优化问题的增广拉格朗日函数L(F_RF，F_BB，Λ_b，Z，μ)由下式给出：

其中，γ是增广拉格朗日参数，I为K×K维单位阵，p为每个终端设备的平均发射功率，u_k为线性接收机，h_k为用户终端设备k与基站之间的上行链路信道系数，σ²为高斯白噪声向量的方差，R_q为量化噪声向量n_q的协方差矩阵。

进一步地，记全数字波束形成器F_DBF为一个R×K维矩阵，通过找到混合波束成形器与全数字波束形成器之间的最小欧氏距离来求得模拟波束合成器F_RF，即：

基于F_RF结构，转化为求解每个非零元素e_r，n来逐行计算

则有e_r，n＝F_DBFr，：[(Λ_bF_BB)_n，：]^H。其中，(F_DBF)_r，；表示表示F_DBF矩阵的第r行元素和(Λ_bF_BB)_n，：表示Λ_bF_BB矩阵的第n行元素。

进一步地，记天线子集为A_n，n＝1，2，...，N，满足所有天线子集的天线数目之和为R，即：

则记φ_r，n＝∠F_RF(r，n)是F_RF第(r，n)个非零元素的角度，

是e_r，n的角度；通过计算：

从而确定每个天线子集中天线的数量和F_RF的每个非零元素的角度φ_r，n，进而生成F_RF。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

1.本发明根据信道环境和资源分配技术可以调整基站的天线子集数目和模数转换器的分辨率，更好的均衡接收信号由信道的时变多径传播特性引起的码间干扰和降低用户间干扰，以实现更低的硬件开销和更高的能效。

2.本发明提出了一种结合交替方向乘子法和一维搜索法的方案，实现联合优化动态非均匀混合波束形成技术和模数转换器的分辨率的分配，能有效降低系统硬件成本和复杂度，提高系统可靠性和能效。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种混合波束成形器与模数转换器联合设计方法，首先，根据信道信息状态及用户服务质量要求，选择每根射频链路连接的天线数目，设计模拟波束合成器。其次，优化配置每个模数转换器分辨率，并设计数字波束形成器。本发明旨在减少系统的成本开销，在能耗的优化和可靠性的保持间取得良好平衡。

在毫米波及更高频段的大规模天线阵列的通信系统中，采用分辨率自适应的模数转换器和动态非均匀子连接混合波束形成技术，根据信道状态信息和用户服务质量要求，动态调整基站的天线阵列和模数转换器的分辨率，降低上行链路通信系统能耗，提高系统频谱效率。

考虑由K个单天线终端设备和大规模天线阵列基站构成的单小区毫米波及更高频段通信系统。本方案考虑在基站上配备均匀线性阵列并部署R个接收天线和N个射频链路来接收K个数据流，且N＜R和K＜＜R。

针对多用户上行链路通信，基站端采用混合波束成形技术，即模拟波束合成器F_RF和数字波束形成器F_BB的串联结构；记每个用户终端设备的发射信号为xk，k＝1，...，K，将K个终端设备的发射信号表示成一个K×1维的向量X＝(x₁，x₂，...，x_k)，且E[XX^H]＝I，I为K×K维单位阵。令p为每个终端设备的平均发射功率，hk为用户终端设备k与基站之间的上行链路信道系数，则从K个终端设备到基站的信道表示为R×K维矩阵H＝[h₁，...，h_k]，在基站的接收信号y可以表示为：

其中，n₀为R×1维且均值为0，方差为σ²的高斯白噪声向量。

在基站段，采用动态子连接阵列结构，每个射频链将通过开关网络和有限分辨率移相器，动态匹配到一个天线子阵列，天线子阵列所包含天线数量和位置均可调。而每个有限分辨率移相器有恒定的幅度和离散的相位，其相位取值

由分辨率B决定，其中i＝1，2，...，2^B-1，j是虚数单位。模拟波束合成器F_RF可以表示成一个R×N维矩阵，如果第n个射频链通过移相器连接到第r个天线，则模拟波束合成器F_RF相应的元素的值F_RF(r，n)∈F不为0，反之则为0，其中n＝1，2，...，N，r＝1，2，...，R。由于子阵列之间没有重叠，模拟波束合成器每行只有一个非零元素，将F_RF中可能的相移集合表示成Θ^R×N，则有F_RF∈Θ^R×N。因此，基站模拟波束合成器的输出信号为：

接收信号经过模拟波束合成器后，信号通过射频链路传输到模数转换器，模数转换器将模拟信号量化成数字信号后由数字波束形成器F_BB处理，F_BB可以表示成N×K维矩阵；采用加性量化噪声模型表征模数转换器的输入输出关系，记该模数转换器的分辨率为b，当输入yi时，模数转换器的输出为：

Q(y_i)＝λy_i+q

其中λ和q分别为模数转换器对输入信号的量化增益和加性的零均值高斯量化噪声。具体地说，对于非均匀最小均方误差模数转换器，量化失真函数可以表示成关于b的函数：

量化增益则可以写成

本发明考虑不同射频链上的分辨率可变的模数转换器，将N个模数转换器的量化增益和量化失真分别表示成N维对角阵Λ_b＝diag(λ₁，...，λ_N)和Λ_a＝diag(ε₁，...，ε_N)，其中λ_n和ε_n分别表示第n(n＝1，2，...N)个模数转换器的量化增益和量化失真。因此量化的信号向量yq为：

其中，n_q表示量化噪声向量。将Λ_b中可能的量化增益集合表示成Δ^N×N，则有Λ_b∈Δ^N×N。量化噪声向量n_q的协方差矩阵可以表示为：

然后，量化信号由数字波束形成器F_BB处理信号，来降低量化损耗，对抗用户间干扰。最后，则用户k的组合信号由线性接收机u_k检测信号并解码，u_k是K×1维的向量，则用户k的组合信号可以表示为：

则用户k的频谱效率由以下公式给出：

其中，

是表示除用户k信号之外的其他用户信号所造成的用户间干扰。此外，模数转换器的功耗由以下公式给出P_ADC＝cf_s2^b，其中，c是每个转换步骤的能耗，f_s是采样频率。因此，系统功耗为：

其中，P_BB，P_RF，P_PS和P_LNA分别代表数字波束形成器，射频链路，移相器和线性功率放大器的功率，P_ADC(b_n)为关于第n个分辨率为b_n的模数转换器的功率。能量效率(简称能效)是一个常见性能指标，是可实现的系统频谱效率与系统功耗的比值，则系统的能效函数可以表示为：

本发明对动态非均匀子连接混合波束形成技术和模数转换器分辨率分配问进行联合优化设计，目标是实现系统可达到的最大能效，以上述能效函数作为性能评价指标，构造系统最大能效的资源分配优化问题：

s.t.C₁：||F_RF(r，；)||₀＝1

C₂：F_RF∈Θ^R×N

C₃：Λ_b∈Δ^N×N

其中，其中，R_k(F_RF，F_BB，Λ_b)表示用户k关于F_RF，F_BB和Λ_b的频谱效率，约束C₁中||F_RF(r，；)||₀＝1表示F_RF每行只有一个非零的元素，F_RF(r，；)表示表示F_RF的第r行元素；约束C₂表示模拟波束合成器的取值范围和约束C₃是保证分辨率取值范围。

是关于F_RF，F_BB和Λ_b的系统的频谱效率函数，P(Λ_b)是关于Λ_b的系统功耗。更进一步，采用Dinkelbach算法，引入一个非负辅助变量η_EE，得到下述优化问题：

s.t.C₁：||F_RF(r，；)||₀＝1

C₂：F_RF∈Θ^R×N

C₃：Λ_b∈Δ^N×N

使用一维搜索算法生成每个射频链路连接的最优动态天线子集，确定每个子集中的天线数目和位置，来确定F_RF每行元素的位置，进而生成F_RF，之后使用交替方向乘子算法(ADMM)解决该问题，引入辅助变量Z，优化问题改写为如下形式：

s.t.C₁：||F_RF(r，：)||₀＝1

C₂：F_RF∈Θ^R×N

C₃：Λ_b-Z＝0

其中

是指示函数：

关于优化问题的增广拉格朗日函数L(F_RF，F_BB，Λ_b，Z，μ)由下式给出：

其中，μ是对偶参数矩阵，γ是增广拉格朗日参数；因为约束C₁与C₂是非凸约束，故采用一维搜索法去生成模拟波束合成器。记F_DBF为一个R×K维矩阵，表示全数字波束形成器F_DBF；本发明通过找到混合波束成形器与全数字波束形成器之间的最小欧氏距离来求得模拟波束合成器F_RF，即：

基于F_RF结构，转化为求解每个非零元素e_r，n来逐行计算

则有e_r，n＝F_DBFr，：[(Λ_bF_BB)_n，：]^H。其中，(F_DBF)_r，；表示表示F_DBF矩阵的第r行元素和(Λ_bF_BB)_n，：表示Λ_bF_BB矩阵的第n行元素。

记天线子集为A_n，n＝1，2，...，N，满足所有天线子集的天线数目之和为R，即：

∠是角度符号，则记φ_r，n＝∠F_RF(r，n)是F_RF第(r，n)个非零元素的角度，

是e_r，n的角度。因此，本发明完成计算：

从而确定每个天线子集中天线的数量和F_RF的每个非零元素的角度φ_r，n，进而生成F_RF。

下面结合图1对最大能效的资源分配的具体技术方案进行详细说明。

步骤1，在基站获取每个终端设备的信道状态信息H及用户服务质量要求；

步骤2，初始化F_BB，Λ_b，Z和μ的值，这里的F_BB，Λ_b，Z和μ表示交替方向乘子法的迭代参数，用上标t表示迭代序号；

步骤3，令θ＝2π/2^B，计算φ_r，n的最佳相位：

步骤4，使用一维度搜索法，实现：

将第n个天线映射到RF链，更新该RF链的相应动态天线子集A_n，并且每个天线子集之间不重叠，最终生成模拟波束合成器F_RF，因为F_RF将参与交替方向乘子法去更新F_BB，Λ_b，Z和μ，为了区别初始值，故将生成的模拟波束合成器表示成

步骤5，输入

和μ^t，采用交替方向乘子法更新辅助变量Z：

步骤6，输入

和μ^t，采用交替方向乘子法生成模数转换器的分辨率相应的量化增益：

步骤7，输入

和μ^t，采用交替方向乘子法更新数字波束形成器：

步骤8，输入Z^t+1，

和μ^t，采用交替方向乘子法更新对偶参数矩阵：

步骤9，重复步骤3到步骤8，直至拉格朗日函两次迭代之间的差值小于e，e是由用户服务质量要求所决定的可允许接受的误差值。输出F_RF，F_BB和Λ_b，通过Λ_b的元素λ_n求得模数转换器的分辨率b_n，即

本发明提供了一种混合波束成形器与模数转换器联合设计方法。首先，根据信道信息状态及用户服务质量要求，选择每根射频链路连接的天线数目，设计出模拟波束合成器。其次，通过交替方向乘子法迭代生成数字波束形成器和每个模数转换器分辨率。因为每次迭代更新的模拟波束合成器，数字波束形成器，和量化增益都会使得系统比迭代更新前的系统的能效更好，故在循环迭代过程中拉格朗日函更新前和更新后之间的差值会逐渐缩小，当拉格朗日函两次迭代之间的差值达到可允许接受的误差值时，系统在该条件下实现最优能效，即是用最小的系统功耗实现最大的系统频谱效率，这减少系统的成本开销和功耗，在能效的优化和可靠性的保持间取得良好平衡，同时抑制了用户间干扰。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种混合波束成形器与模数转换器联合设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在基站获取每个终端设备k的信道状态信息H及用户服务质量要求；

步骤2，初始化交替方向乘子法的迭代参数F_BB，Λ_b，Z和μ，用上标t表示迭代序号；F_BB为数字波束形成器，Λ_b为N个模数转换器的量化增益表示成的N维对角阵，Z为辅助变量，μ为对偶参数矩阵；

步骤3，令θ＝2π/2^B，计算φ_r,n的最佳相位：

其中，B为有限分辨率移相器的分辨率，φ_r,n为模拟波束合成器F_RF第(r，n)个非零元素的角度，

是e_r,n的角度，e_r,n＝F_DBFr,:[(Λ_bF_BB)_n,:]^H，F_DBFr,:表示表示全数字波束形成器F_DBF的第r行元素，(Λ_bF_BB)_n,:表示Λ_bF_BB矩阵的第n行元素；

步骤4，使用一维度搜索法，实现：

将第n个天线映射到RF链，更新该RF链的相应动态天线子集A_n，并且每个天线子集之间不重叠，最终生成模拟波束合成器F_RF，表示为

步骤5，输入

和μ^t，采用交替方向乘子法更新辅助变量Z：

步骤6，输入

和μ^t，采用交替方向乘子法生成模数转换器的分辨率相应的量化增益：

步骤7，输入

和μ^t，采用交替方向乘子法更新数字波束形成器：

步骤8，输入Z^t+1，

和μ^t，采用交替方向乘子法更新对偶参数矩阵：

步骤9，重复步骤3到步骤8，直至拉格朗日函两次迭代之间的差值小于e，e是由用户服务质量要求所决定的可允许接受的误差值；输出F_RF，F_BB和Λ_b，通过Λ_b的元素λ_n求得模数转换器的分辨率b_n，即

2.根据权利要求1所述的混合波束成形器与模数转换器联合设计方法，其特征在于，所述设计方法针对的系统为由K个单天线终端设备和大规模天线阵列基站构成的单小区毫米波及更高频段通信系统；

在基站上配备均匀线性阵列并部署R个接收天线和N个射频链路来接收K个数据流，且N<R和K＜＜R；

针对多用户上行链路通信，基站端采用混合波束成形技术，即模拟波束合成器F_RF和数字波束形成器F_BB的串联结构；

在基站段，采用动态子连接阵列结构，每个射频链将通过开关网络和有限分辨率移相器，动态匹配到一个天线子阵列，天线子阵列所包含天线数量和位置均可调。

3.根据权利要求1所述的混合波束成形器与模数转换器联合设计方法，其特征在于，使用一维搜索算法生成每个射频链路连接的最优动态天线子集，确定每个子集中的天线数目和位置，来确定F_RF每行元素的位置，进而生成F_RF，之后使用交替方向乘子算法解决该问题，引入辅助变量Z，优化问题表示如下：

s.t.C₁:||F_RF(r,:)||₀＝1

C₂:F_RF∈Θ^R×N

C₃:Λ_b-Z＝0

其中，R_k(F_RF,F_BB,Λ_b)表示用户k关于F_RF，F_BB和Λ_b的频谱效率，η_EE为非负辅助变量，K为单天线终端设备的数量，P(Λ_b)是关于Λ_b的系统功耗，

是指示函数，Θ^R×N为F_RF中可能的相移集合，F_RF(r,:)为F_RF的第r行元素，||F_RF(r,:)||₀＝1表示F_RF每行只有一个非零的元素。

4.根据权利要求1所述的混合波束成形器与模数转换器联合设计方法，其特征在于，关于优化问题的增广拉格朗日函数L(F_RF,F_BB,Λ_b,Z,μ)由下式给出：

其中，γ是增广拉格朗日参数，I为K×K维单位阵，p为每个终端设备的平均发射功率，u_k为线性接收机，h_k为用户终端设备k与基站之间的上行链路信道系数，σ²为高斯白噪声向量的方差，R_q为量化噪声向量n_q的协方差矩阵。

5.根据权利要求1所述的混合波束成形器与模数转换器联合设计方法，其特征在于，记全数字波束形成器F_DBF为一个R×K维矩阵，通过找到混合波束成形器与全数字波束形成器之间的最小欧氏距离来求得模拟波束合成器F_RF，即：

基于F_RF结构，转化为求解每个非零元素e_r,n来逐行计算

则有e_r,n＝F_DBFr，:[(Λ_bF_BB)_n,:]^H；其中，(F_DBF)_r,:表示表示F_DBF矩阵的第r行元素和(Λ_bF_BB)_n,:表示Λ_bF_BB矩阵的第n行元素。

6.根据权利要求1所述的混合波束成形器与模数转换器联合设计方法，其特征在于，记天线子集为A_n，n＝1,2,...,N，满足所有天线子集的天线数目之和为R，即：

则记φ_r,n＝∠F_RF(r,n)是F_RF第(r，n)个非零元素的角度，

是e_r,n的角度；通过计算：

从而确定每个天线子集中天线的数量和F_RF的每个非零元素的角度φ_r,n，进而生成F_RF。

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