CN114095062B - 毫米波大规模相控阵系统的宽带修正模拟波束成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种毫米波大规模相控阵系统的宽带修正模拟波束成形方法，属于无线通信技术领域。该方法包括：S1：根据信号入射角度，构造标准模拟波束成形矢量；S2：采用CAZAC序列中的Zadoff‑Chu序列构造修正矢量；S3：根据标准模拟波束成形矢量和修正矢量，构造修正模拟波束成形矢量。本发明应用于实际毫米波远距离高容量大规模相控阵通信系统接，在不增加复杂度的情况下，仅仅对标准模拟波束成形矢量进行修正。使用本发明方法所得到的空间等效信道频域响应不存在深衰落点，从而消除了波束倾斜引起的码间干扰对系统误比特率性能的影响。

Description

毫米波大规模相控阵系统的宽带修正模拟波束成形方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种毫米波大规模相控阵系统的宽带修正模拟波束成形方法。

背景技术

毫米波频段的范围为30GHz～300GHz，具有众多可用频谱，高吞吐量毫米波通信已被视为第五代(5G)蜂窝网络及以后时代的关键启用技术，可以支持超高速率无线传输。然而，毫米波频段信号的严重衰减限制了有效通信距离。幸运的是，由于天线的尺寸更小，频率更高，毫米波系统允许在一个小区域内封装大量天线，以提供显著的波束形成增益，以补偿严重的信号衰减。尽管利用大规模阵列天线进行毫米波通信有诸多好处，但同时考虑到系统性能和复杂性，要充分发挥大规模阵列天线的优势还存在诸多挑战。

考虑远程点对高吞吐量毫米波通信场景，毫米波收发机可以采用大规模相控阵进行模拟波束成形来增加通信距离。在相控阵中，所有阵元通过移相器网络连接到单个射频链路上。然而在天线规模数和信号带宽较大时，电磁波在大规模阵列孔径上的物理传播延迟可以与符号周期相当。因此各个阵元对基带信号的时延不可忽略，阵列导向矢量将与频率相关。需要注意的是，移相器的移相值与频率是不相关的。如果仍采用传统窄带标准模拟波束成形方法，会导致大规模相控阵出现宽带波束倾斜现象，即产生的空间波束在不同频率下波束指向不同。从通信角度而言，大规模相控阵宽带波束倾斜现象不仅仅会导致阵列增益损失，还会导致物理无线信道和移相器网络组成的空间等效信道变为频率选择性信道。此外，该频率选择性信道存在多个深衰落点。信道的频率选择性会导致接收机出现码间干扰，从而降低了系统误比特率性能。

为了消除宽带波束倾斜现象，常采用实时延迟线(True Time Delay,TTD)取代移相器。TTD阵列可以由波导、同轴电缆或光纤组成，但存在体积大、功耗大、成本高和受温度等环境影响等缺点。此外，全数字阵列结构每个阵元通道都单独配置一路RF链路，从而使得所有阵列数据可以在数字基带进行处理。TTD阵列和全数字阵列能够产生与频率相关的波束成形矢量，因此能够消除波束倾斜现象。但与传统相控阵相比，会导致毫米波大规模天线系统的复杂度和功耗急剧增加。基于大规模天线阵列宽带系统可实现角度，需设计低复杂度的宽带模拟波束方法以降低相控阵宽带波束倾斜现象引起的性能损失。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种宽带修正模拟波束成形方法，应用于实际毫米波远距离高容量大规模相控阵通信系统接，在不增加复杂度的情况下，仅仅对标准模拟波束成形矢量进行修正。使用本发明方法所得到的空间等效信道频域响应不存在深衰落点，从而消除了波束倾斜引起的码间干扰对系统误比特率性能的影响。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种毫米波大规模相控阵系统的宽带修正模拟波束成形方法，基于恒包络零自相关(CAZAC)序列设计一种修正的宽带模拟波束成形方法，从而消除物理无线信道和移相器网络组成的空间等效信道中由波束倾斜引起的深衰落点。本质上，空间等效信道频域响应相当于模拟波束成形矢量关于天线空间采样的离散傅里叶变换。为使空间等效信道尽可能平坦，可以寻找一种在频域具有平坦特性的序列来对模拟波束成形矢量进行修正。CAZAC序列即是满足该要求的序列。本发明使用CAZAC序列中的Zadoff-Chu序列对标准模拟波束成形矢量进行修正。参阅图1，该方法具体包括以下步骤：

S1：根据信号入射角度θ，构造标准模拟波束成形矢量w_std；

S2：采用CAZAC序列中的Zadoff-Chu序列构造修正矢量w_cor；

S3：根据标准模拟波束成形矢量w_std和修正矢量w_cor，构造修正模拟波束成形矢量w。

进一步，步骤S1中，构造的标准模拟波束成形矢量w_std为：

m＝1，…，M

其中，f_c表示载波频率，d表示阵列单元间距，θ₀表示期望波束指向，c表示光速，M表示天线数目，φ_std，m为第m个天线对应的移相器的移相值。

进一步，步骤S2中，采用Zadoff-Chu序列构造的修正矢量w_cor为：

m＝1，…，M

其中，B表示信号频带带宽，φ_cor，m为第m个天线对应的移相器的修正相位。

进一步，步骤S3中，构造的修正模拟波束成形矢量W为：

w＝w_std⊙w_cor

其中，⊙为向量Hadamard积操作。

本发明的有益效果在于：本发明主要应用于远距离高容量毫米波大规模相控阵通信系统，其优势在于：

1)与传统的相控阵标准模拟波束成形方法相比，本发明能够消除标准模拟波束成形方法下的空间等效信道中由波束倾斜引起的深衰落点，从而在不增加复杂度的情况下改善毫米波通信系统的误比特率性能。

2)与TTD阵列和全数字阵列宽带波束成形方法相比，本发明降低了系统的成本、功耗和复杂度。本发明方法仍然使用模拟相控阵结构，并不需要在每个阵元通道使用实时延迟线和RF链路，而是直接修正移相器网络各移相器的移相值消除宽带影响。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明宽带修正模拟波束成形方法的流程图；

图2为本发明修正模拟波束成形方法与传统相控阵模拟波束成形方法(标准模拟波束成形方法)在60GHz毫米波通信系统下的空间等效信道频域响应对比效果图；

图3为60GHz毫米波单载波频域均衡(SC-FDE)通信系统中大规模相控阵使用本发明修正模拟波束成形方法、传统相控阵模拟波束成形方法(标准模拟波束成形方法)与理想TTD阵列或全数字阵列(理想曲线)的误比特率性能对比效果图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为方便理解，首先对本发明实施例考虑的宽带毫米波视距单输入多输出(LoS-SIMO)系统进行简要介绍：

本实施例考虑一个宽带毫米波LoS-SIMO系统。接收机部署大规模相控阵形成单个空间波束指向固定方位单天线发射机。空间无线信道假设为单径视距(LoS)信道。接收机天线阵列为均匀分布直线阵列(ULA)，天线数目为M，阵列单元间距为d。假设发射机发送信号从远场入射到接收机相控阵列，入射角度为θ∈[-π/2，π/2]。在不考虑信号衰减，并假定所有阵元为理想全向天线的情况下，阵列接收机接收的频域信号矢量r(f)可以表示为：

r(f)＝a(θ，f)s(f)+n(f)

其中，s(f)为频域等效基带远场信号，f∈[-B/2，B/2]，B表示基带信号带宽；矢量n(f)为接收机的高斯白噪声，矢量a(θ，f)为宽带频域阵列导向矢量，由信号频率和方向共同决定。参数τ＝dsinθ/c表示相邻阵元间时延差，c为光速。

接收机使用移相器网络进行模拟波束成形，将阵列接收信号进行合并。移相器网络中每个天线通道对应的移相器移相值与频率无关。在标准模拟波束成形方法中，移相器的移相值根据载波频率f_c设计。如果期望波束指向为θ₀，则移相器网络的模拟波束成形矢量为：

m＝1，…，M

接收机使用模拟波束成形矢量w得到的频域基带合并信号可以表示为：

从通信系统角度考虑，可以将模拟波束成形和物理无线信道看做为一个空间等效信道。则该空间等效信道的频域响应为H(f)＝w^Ha(θ，f)。假设接收机知道信号入射角度θ，并设置θ₀＝θ。如果使用标准模拟波束成形矢量w_std，则得到的空间等效信道的频域响应为：

当天线数目M和信号带宽B较大时，使用标准模拟波束成形方法得到的空间等效信道频域响应将出现频率选择性，并存在多个深衰落点。从而引起接收机码间干扰，使得系统误比特率性能下降。

其中，修正宽带模拟波束成形方法，主要包括以下内容：

1)根据信号入射角度θ，构造标准模拟波束成形矢量w_std。

2)对于第m个天线对应的移相器，在标准波束成形方法下的移相值φ_std，m基础上添加修正相位φ_cor，m，得到对应的修正波束成形加权值为：

m＝1，…，M

相应地，修正后的模拟波束成形矢量为：

w＝w_std⊙w_cor

m＝1，…，M

其中，⊙为向量Hadamard积操作，w_cor表示修正矢量。使用修正模拟波束成形矢量得到的空间等效信道频域响应可以表示为：

3)修正模拟波束成形矢量下得到的空间等效信道频域响应H(f)相当于修正矢量关于天线空间采样的离散傅里叶变换。因此，可以通过设计

m＝1，…，M使得等效信道频域响应尽可能平坦。在本发明中，采用CAZAC序列中的Zadoff-Chu序列设计修正矢量。

定义s＝fdsinθ/c，则有s∈[-Bdsinθ/2c，-Bdsinθ/2c]。对函数H(s)进行M点均匀采样，得到

m＝0，…，M-1的离散傅里叶变换表达式，即

k=0，1，…，M-1

严格来讲，应该讨论变量s在范围[-Bdsinθ/2c，-Bdsinθ/2c]内的连续变化情况。不过当采样数目M(天线数目)很大时，离散傅里叶变换能够很好地近似连续傅里叶变换变化。因此，H_k，k=0，1，…，M-1近似函数H(s)是可信的。接下来，使用Zadoff-Chu序列设计矢量

m＝0，…，M-1，即

本发明主要考虑天线数目M为偶数的情况。对变量

的相位进行求导，可以得到其频域范围为s∈[rq/M，r(M-1+q)/M]。已知期望频率范围为s∈[-Bdsinθ/2c，-Bdsinθ/2c]。则可以得到参数r和q别为：

根据参数r和q可以得到修正相位的具体表达式为：

m＝0，…，M-1

最后，使用该修正相位对标准模拟波束成形矢量进行修正得到修正后的模拟波束成形矢量。

对比实验：

图2为本发明修正模拟波束成形方法与传统相控阵模拟波束成形方法(标准模拟波束成形方法)在60GHz毫米波通信系统下的空间等效信道频域响应对比效果图，其中天线数目M＝256，信号入射角度θ＝30°。图3为60GHz毫米波单载波频域均衡(SC-FDE)通信系统中大规模相控阵使用本发明修正模拟波束成形方法、传统相控阵模拟波束成形方法(标准模拟波束成形方法)与理想TTD阵列或全数字阵列(理想曲线)的误比特率性能对比；其中天线数目M＝256，信号入射角度θ＝30°，接收机均衡算法采用迫零(ZF)算法或最小均方误差(MMSE)算法。从图2可以看出，使用本发明所提出的修正宽带模拟波束成形方法所得到的空间等效信道频域响应不存在深衰落点，消除了波束倾斜引起的码间干扰对系统误比特率性能的影响。从图3可以看出，本发明方法可应用于实际毫米波远距离高容量大规模相控阵通信系统接。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种毫米波大规模相控阵系统的宽带修正模拟波束成形方法，其特征在于，该方法基于一个宽带毫米波LoS-SIMO系统，接收机部署大规模相控阵形成单个空间波束指向固定方位单天线发射机；空间无线信道假设为单径视距信道；接收机天线阵列为均匀分布直线阵列，天线数目为M，阵列单元间距为d；假设发射机发送信号从远场入射到接收机相控阵列，入射角度为θ∈[-π/2，π/2]；接收机使用移相器网络进行模拟波束成形，将阵列接收信号进行合并；该方法具体包括以下步骤：

S1：根据信号入射角度θ，构造标准模拟波束成形矢量w_std；

其中，f_c表示载波频率，d表示阵列单元间距，θ₀表示期望波束指向，c表示光速，M表示天线数目，φ_std，m为第m个天线对应的移相器的移相值；

S2：采用CAZAC序列中的Zadoff-Chu序列构造修正矢量w_cor；

其中，B表示信号频带带宽，φ_cor，m为第m个天线对应的移相器的修正相位；

S3：根据标准模拟波束成形矢量w_std和修正矢量w_cor，构造修正模拟波束成形矢量W；

w＝w_std⊙w_cor

其中，⊙为向量Hadamard积操作。

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