CN114337737B

CN114337737B - 一种宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法

Info

Publication number: CN114337737B
Application number: CN202111610632.6A
Authority: CN
Inventors: 刘敏; 邱恭安; 季彦呈
Original assignee: Nantong University
Current assignee: Nantong University
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2041-12-27
Also published as: CN114337737A

Abstract

本发明涉及一种宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法，包括：获取发射端天线阵列和接收端天线阵列之间的信道；根据所述信道和RF链路数确定多个目标路径；根据载波频率、子载波数和系统带宽确定所述目标路径的覆盖波束；根据所述覆盖波束构造波束选择矩阵并根据所述波束选择矩阵设置移相器状态；根据所述波束选择矩阵确定子载波的基带预编码矩阵；根据所述子载波的基带预编码矩阵和所述子载波的基带数据确定输出信号；利用所述输出信号进行信号传输。本发明通过改善宽带毫米波通信中的波束偏移现象来提高系统性能。

Description

一种宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，特别是涉及一种宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法。

背景技术

目前毫米波段已开始用于蜂窝移动通信系统中，以拓展可用频谱带宽。无线电磁波在毫米波段的传输损耗很大，需要使用大规模天线阵列通过模拟波束形成技术进行补偿。透镜天线阵列集成度高，造价与功耗低，是实现大规模天线阵列的有利方式。由于用户通信速率日趋增长，在毫米波段常需要使用宽带通信，即超过1GHz以上的带宽和正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术。在宽带毫米波大规模天线阵列中，由于OFDM子载波的频率存在显著差异，导致天线阵列为不同子载波生成的波束发生方向偏移，不能与信道良好匹配，从而降低了传输速率。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法，通过改善宽带毫米波通信中的波束偏移现象来提高系统性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法，包括：

获取发射端天线阵列和接收端天线阵列之间的信道；

根据所述信道和RF链路数确定多个目标路径；

根据载波频率、子载波数和系统带宽确定所述目标路径的覆盖波束；

根据所述覆盖波束构造波束选择矩阵并根据所述波束选择矩阵设置移相器状态；

根据所述波束选择矩阵确定子载波的基带预编码矩阵；

根据所述子载波的基带预编码矩阵和所述子载波的基带数据确定输出信号；

利用所述输出信号进行信号传输。

可选地，所述根据载波频率、子载波数和系统带宽确定所述目标路径的覆盖波束，具体包括：

根据所述载波频率、子载波数和系统带宽确定目标路径的覆盖子载波的波束序号；

根据所述覆盖子载波的波束序号确定覆盖波束。

可选地，所述根据所述覆盖波束构造波束选择矩阵，具体包括：

根据所述覆盖波束确定波束选择结果；

根据所述波束选择结果构建波束选择矩阵。

可选地，所述根据所述波束选择矩阵确定子载波的基带预编码矩阵，具体包括：

获取所述子载波的信道；

根据所述子载波的信道确定所述子载波的波束空间信道；

根据所述波束空间信道和所述波束选择矩阵确定所述子载波的等效波束信道相关矩阵；

对所述等效波束信道相关矩阵进行特征值分解，得到特征矩阵；

根据所述特征矩阵的设定列确定所述子载波的基带预编码矩阵。

可选地，所述等效波束信道相关矩阵的表达式为：

其中，R[k]为子载波k的等效波束信道相关矩阵，

为波束选择矩阵的共轭转置矩阵，

为波束空间信道的共轭转置矩阵，H_b[k]为子载波k的波束空间信道，S_T为波束选择矩阵。

可选地，所述基带预编码矩阵的表达式为：

F_BB[k]＝V[k](:,1:L)

其中，F_BB[k]为子载波k的基带预编码矩阵，V[k]为子载波k的特征矩阵，L为传送的数据流的数目。

可选地，所述根据所述子载波的基带预编码矩阵和所述子载波的基带数据确定输出信号，具体包括：

将所述子载波的基带预编码矩阵和所述子载波的基带数据相乘得到输出信号。

可选地，所述利用所述输出信号进行信号传输，具体包括：

利用离散傅里叶逆变换模块对所述输出信号进行OFDM调制，得到数字基带信号；

利用数模转换模块对所述数学基带信号进行数模转换，得到模拟基带信号；

利用RF链路对所述模拟基带信号进行变换，得到射频信号；

对所述射频信号进行放大和传输。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明获取发射端天线阵列和接收端天线阵列之间的信道；根据信道和RF链路数确定多个目标路径；根据载波频率、子载波数和系统带宽确定目标路径的覆盖波束；根据覆盖波束构造波束选择矩阵并根据波束选择矩阵设置移相器状态；根据波束选择矩阵确定子载波的基带预编码矩阵；根据子载波的基带预编码矩阵和子载波的基带数据确定输出信号；利用输出信号进行信号传输。本发明通过改善宽带毫米波通信中的波束偏移现象来提高系统性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法流程图；

图2为本发明提供的宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的一种宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法，包括：

步骤101：获取发射端天线阵列和接收端天线阵列之间的信道。

步骤102：根据所述信道和RF链路数确定多个目标路径。其中，目标路径为每个RF链路对应的信道中增益最大的路径。

步骤103：根据载波频率、子载波数和系统带宽确定所述目标路径的覆盖波束。

步骤103，具体包括：

根据所述载波频率、子载波数和系统带宽确定覆盖子载波的波束序号。

根据所述覆盖子载波的波束序号确定覆盖波束。

步骤104：根据所述覆盖波束构造波束选择矩阵并根据所述波束选择矩阵设置移相器状态。

其中，所述根据所述覆盖波束构造波束选择矩阵，具体包括：

根据所述覆盖波束确定波束选择结果。

根据所述波束选择结果构建波束选择矩阵。

步骤105：根据所述波束选择矩阵确定子载波的基带预编码矩阵。

步骤105，具体包括：

获取所述子载波的信道。

根据所述子载波的信道确定所述子载波的波束空间信道。

根据所述波束空间信道和所述波束选择矩阵确定所述子载波的等效波束信道相关矩阵。所述等效波束信道相关矩阵的表达式为：

其中，R[k]为子载波k的等效波束信道相关矩阵，

为波束选择矩阵的共轭转置矩阵，

对所述等效波束信道相关矩阵进行特征值分解，得到特征矩阵。

所述基带预编码矩阵的表达式为：

F_BB[k]＝V[k](:,1:L)

步骤106：根据所述子载波的基带预编码矩阵和所述子载波的基带数据确定输出信号。步骤106，具体包括：将所述子载波的基带预编码矩阵和所述子载波的基带数据相乘得到输出信号。

步骤107：利用所述输出信号进行信号传输。

步骤107，具体包括：

利用离散傅里叶逆变换模块对所述输出信号进行OFDM调制，得到数字基带信号。

利用数模转换模块对所述数学基带信号进行数模转换，得到模拟基带信号。

利用RF链路对所述模拟基带信号进行变换，得到射频信号。

对所述射频信号进行放大和传输。

本发明还提供宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法在实际应用中的具体工作步骤：

步骤1：信道估计模块获得信道

m表示路径序号，M表示路径数量，β_m表示路径的复增益，d表示脉冲延时，T_S表示系统采样周期，τ_m表示路径时延，

表示物理离开角，

表示发射端阵列导向矢量，

表示物理到达角，

表示接收端阵列响应矢量，

为

的共轭转置矩阵，g(dT_s-τ_m)为脉冲函数。

步骤2：按照系统中RF链路的数量，选择N_RF个最强的路径(即路径增益|β_m|最大)，使每个路径对应一个RF链路。

步骤3：估算每个所选路径所覆盖的波束，具体步骤如下：

路径m在1#子载波上的空间角度为

其中，f_c是载波频率，c是光速，B是系统带宽，K表示子载波总数，d_ant表示相邻天线之间的距离。

路径m在K#子载波上的空间角度为：

1#子载波上对应的波束序号为：

N表示天线数目。K#子载波上对应的波束序号为：

N表示天线数目。则路径m所覆盖的波束序号从n₁开始，到n_K结束。这些波束序号表示的是选择的波束，为了解决波束偏移问题，需要为每个路径使用多个波束而不是一个。在步骤4中使用。

如果相邻路径的波束有重叠，则将重叠的波束去掉；每个路径覆盖范围内剩下的波束即为所选波束。例如，路径m所覆盖的波束为{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}，路径m+1所覆盖的波束为{8,9,10，11,12,13,14,15}；则去掉重叠的波束后路径m所选波束为{1,2,3,4,5,6,7}，路径m+1所选波束为{11,12,13,14,15}。

步骤4：构造波束选择矩阵S_T，设置各移相器的状态。

构造一个N_T行N_RF列矩阵S_T，其第m列表示路径m的波束选择结果，具体为覆盖的波束序号。S_T第m列中，将序号为路径m所选波束的元素设置为1，表示对应波束选中；其余元素为0，表示对应波束不选。按照S_T设置波束选择网络中各移相器的状态为1或0。

步骤5：为子载波k，k＝1,2,…,K计算基带预编码矩阵。

子载波k的信道为：

D为最大相对路径时延。

子载波k的波束空间信道为：

其中，

为发射端波束空间变换矩阵，U_T为接收端波束空间变换矩阵的共轭转置矩阵。

子载波k的等效波束信道相关矩阵为：

对相关矩阵做特征值分解：

R[k]＝V[k]Σ[k]V^H[k]，其中，V^H[k]为V[k]的共轭转置矩阵。

那么子载波k，k＝1,2,…,K的基带预编码矩阵为：

F_BB[k]＝V[k](:,1:L)，即特征矩阵V[k]的前L列。

步骤6：每个子载波上的基带预编码模块将L个数据流经过乘以基带预编码矩阵变换为N_RF路信号；子载波k上的基带数据用L维向量s[k]表示，则基带预编码模块输出信号为F_BB[k]s[k]。

步骤7：IDFT(离散傅里叶逆变换)模块进行OFDM调制，将来自于K个子载波的并行信号转换成一路数字基带信号；即第n^RF个IDFT模块将F_BB[k]s[k](k＝1,2,…,K)的第n^RF个信号形成的并行信号经IDFT变换形成第n^RF路串行数字基带信号。

步骤8：数模转换模块将IDFT模块输出的数字基带信号转换成模拟基带信号。

步骤9：RF链路将模拟基带信号变换为射频信号。

步骤10：波束选择网络将RF链路输出的射频信号均匀馈送到所选波束/天线上。开关(1-bit移相器)打开，射频信号就馈送到了相应的天线上；开关状态是由步骤4里的矩阵表示的。

步骤11：透镜天线阵列放大由波束选择网络馈送的射频信号，以无线电磁波形式辐射出去。

步骤12：接收模块通过天线接收无线电信号，经过RF链路、模数转换器和DFT模块等处理，分别输出子载波的数据流。

如图2所示，宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法应用宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统，包含：

(1)信道估计模块。发射端和接收端使用透镜天线阵列，H是一个N_R×N_T维矩阵，表示收发端的天线阵列之间的信道，N_T表示发射端天线阵列中天线的个数，N_R表示发射端天线阵列中天线的个数；

是用户k的波束空间信道，U表示波束空间变换矩阵：

U＝[a(θ₁),a(θ₂),…,a(θ_N)]^H

其中，

a(θ)是N个均匀分布的空间方向的阵列相应矢量；J(N)＝{i-(N-1)/2,i＝0,1,…,N-1}；J(N)为天线序号集合，i为天线序号，在系统中，每个天线对应一个空间方向的波束。

(2)基带预编码模块。将待传送的L个数据流分配到N_RF个RF链路上。

(3)IDFT模块。进行OFDM调制，将K个子载波的信号转换成一路数字基带信号。

(4)数模转换模块。将数字基带信号转换成模拟基带信号。

(5)RF链路。将模拟基带信号变频到射频信号。

(6)波束选择网络。用N个1比特移相器构成波束选择网络，其中每个移相器有两种状态，即“+1(0度相位)”和“0(关闭状态)”。每个移相器和一个天线连接，当移相器状态为“+1”时，表示和该移相器相连接的天线/波束被选中；当移相器状态为“0(关闭状态)”时，表示和该移相器相连接的天线/波束没有使用。

(6)透镜天线阵列。由N个功率放大器、N个排列在聚焦弧上的天线和一个电磁透镜构成，将馈送某个天线上的射频信号转换为特定方向的电磁波辐射出去。

(7)用户接收模块。用于接收射频信号，输出每个子载波的数据流。

透镜天线阵列NOMA传输系统中的连接方式：信道估计模块和基带预编码模块、波束选择网络之间是逻辑连接；基带预编码模块和IDFT模块之间通过网络连接；IDFT模块和数模转换模块之间通过网络连接；数模转换模块和RF链路之间是电性连接；RF链路和波束选择网络之间是电性连接；波束选择网络和透镜天线阵列之间是电性连接；透镜天线阵列和接收模块之间是无线连接。

本发明为宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统设计适当的传输方法，避免因为宽带毫米波通信中的波束偏移现象降低系统性能。本发明是在宽带毫米波天线阵列下考虑的，这时存在波束偏移问题；基带用OFDM和基带预编码，是点对点通信。本发明利用宽带透镜天线阵列和OFDM传输原理，降低了宽带毫米波系统中波束偏移的不利影响；利用毫米波信道的稀疏性，简单有效的实现了波束选择。由此，本发明方法产生如下有益技术效果：1)降低了波束偏移所产生的信道失配的不利影响；2)降低通信系统中波束选择的复杂度；3)提高总传输速率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法，其特征在于，包括：

获取发射端天线阵列和接收端天线阵列之间的信道；

根据所述信道和RF链路数确定多个目标路径；

根据所述波束选择矩阵确定子载波的基带预编码矩阵；

利用所述输出信号进行信号传输。

2.根据权利要求1所述的宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法，其特征在于，所述根据载波频率、子载波数和系统带宽确定所述目标路径的覆盖波束，具体包括：

根据所述覆盖子载波的波束序号确定覆盖波束。

3.根据权利要求1所述的宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法，其特征在于，所述根据所述覆盖波束构造波束选择矩阵，具体包括：

根据所述覆盖波束确定波束选择结果；

根据所述波束选择结果构建波束选择矩阵。

4.根据权利要求1所述的宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法，其特征在于，所述根据所述波束选择矩阵确定子载波的基带预编码矩阵，具体包括：

获取所述子载波的信道；

根据所述子载波的信道确定所述子载波的波束空间信道；

5.根据权利要求4所述的宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法，其特征在于，所述等效波束信道相关矩阵的表达式为：

其中，R[k]为子载波k的等效波束信道相关矩阵，

为波束选择矩阵的共轭转置矩阵，

6.根据权利要求4所述的宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法，其特征在于，所述基带预编码矩阵的表达式为：

F_BB[k]＝V[k](:,1:L)

7.根据权利要求1所述的宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法，其特征在于，所述根据所述子载波的基带预编码矩阵和所述子载波的基带数据确定输出信号，具体包括：

8.根据权利要求1所述的宽带毫米波凸镜天线阵列通信系统传输方法，其特征在于，所述利用所述输出信号进行信号传输，具体包括：

利用数模转换模块对所述数字基带信号进行数模转换，得到模拟基带信号；

利用RF链路对所述模拟基带信号进行变换，得到射频信号；

对所述射频信号进行放大和传输。