CN115426019A - 一种3d混合波束成形方法、装置及电子设备 - Google Patents

一种3d混合波束成形方法、装置及电子设备 Download PDF

Info

Publication number
CN115426019A
CN115426019A CN202210974428.0A CN202210974428A CN115426019A CN 115426019 A CN115426019 A CN 115426019A CN 202210974428 A CN202210974428 A CN 202210974428A CN 115426019 A CN115426019 A CN 115426019A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ttd
matrix
vertical
communication system
horizontal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210974428.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115426019B (zh
Inventor
肖丽霞
吴叶增
江涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN202210974428.0A priority Critical patent/CN115426019B/zh
Publication of CN115426019A publication Critical patent/CN115426019A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115426019B publication Critical patent/CN115426019B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H04B7/0456—Selection of precoding matrices or codebooks, e.g. using matrices antenna weighting
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)

Abstract

本发明公开了一种3D混合波束成形方法、装置及电子设备，属于高频无线宽带通信领域，该3D混合波束成形方法主要包含以下步骤：获取基于均匀平面阵列的太赫兹信道状态信息和系统配置信息；根据获取的信道状态信息及系统配置参数信息同时求解水平和垂直维度真时延器件(True time delay，TTD)的时延系数和相移矩阵；根据求得的相移矩阵，计算每个子载波的模拟波束成形矩阵；通过构造虚拟信道矩阵并对其进行SVD分解从而得到最优数字预编码矩阵，最后计算混合预编码矩阵并输出，包括模拟预编码和数字预编码。本发明解决现有混合预编码相控阵架构和方法在宽带多天线系统中面临的波束斜视问题，尤其适用于高频段大规模MIMO宽带通信系统。

Description

一种3D混合波束成形方法、装置及电子设备
技术领域
本发明属于高频无线宽带通信领域，更具体地，涉及一种3D混合波束成形方法、装置及电子设备。
背景技术
在第六代移动通信的发展中，为了打破频谱资源短缺的瓶颈，亟需开拓新的频谱资源，因此太赫兹技术成为了6G十分具有潜力的技术之一。太赫兹通信系统优点在于频段高，波长小，对应的天线尺寸极小，为部署超大规模多输入多输出系统(Multiple-input-multiple-output,MIMO)提供了可能，同时太赫兹系统路损高，需要利用超大规模MIMO系统通过波束成形将能量集中到波束上发射出去，从而获得可观的天线增益来弥补太赫兹的高传播损耗。因此，波束成形是太赫兹系统中一种必不可少的技术，而为了降低硬件成本并保持可观的阵列增益，混合波束成形技术在毫米波系统中已经被广泛研究，而在太赫兹系统中混合波束成形仍然面临很多困难和挑战，例如在高频段大带宽的系统中，波束斜视问题更加严重，亟需新型架构和有效的混合预编码方法来抑制波束斜视，从而实现高可靠，高速率的太赫兹通信。
现有研究表明，混合预编码在大规模MIMO通信中具有低成本和高谱效的优势。然而对于传统移相器结构的混合预编码，在整个频段内只能产生相同相位的模拟预编码矢量。此时，由于阵列响应矢量是频率相关的，整个频段的阵列增益将急剧下降。在大规模MIMO宽带通信系统中，传统的混合预编码架构在解决波束斜视的能力方面存在瓶颈。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种3D混合波束成形方法、装置及电子设备，由此解决现有混合预编码方法在高频宽带多天线系统中面临的波束斜视问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种3D混合波束成形方法，包括：
S1，根据通信系统的配置信息及信道状态信息，基于阵列增益最大化原则，求解Nth个水平TTD及Ntv个垂直TTD的相移矩阵；
其中，所述通信系统为基于UPA的太赫兹宽带大规模MIMO通信系统，发送天线数为Nth×Ntv，发送数据流数量为Ns；所述通信系统的发端中各RF链均分别与Nth个水平TTD的一端连接，Nth个水平TTD的另一端均分别与Ntv个垂直TTD的一端连接，Ntv个垂直TTD的另一端与UPA的Ntv列天线一一对应连接；或，所述通信系统的发端中各RF链均分别与Ntv个垂直TTD的一端连接，Ntv个垂直TTD的另一端均分别与Nth个水平TTD的一端连接，Nth个水平TTD的另一端与UPA的Nth行天线一一对应连接；
S2，基于所述Nth个水平TTD及Ntv个垂直TTD的相移矩阵的克罗内克积，构造第m个子载波的模拟预编码矩阵；
S3，对第m个子载波的信道矩阵与模拟预编码矩阵的乘积进行SVD分解得到的右奇异矢量中的Ns列进行功率归一化，得到第m个子载波的数字预编码矩阵；
S4，将第m个子载波的模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵相乘，得到其混合预编码矩阵。
优选地，所述Nth个水平TTD的相移矩阵为：
Figure BDA0003797627040000021
所述Ntv个垂直TTD的相移矩阵为：
Figure BDA0003797627040000031
其中，j为虚数，fc为中心频率，fm为第m个子载波的频率，φl和θl分别为基站第l条信道路径的方位角和俯仰角，
Figure BDA0003797627040000032
Figure BDA0003797627040000033
优选地，第m个子载波的模拟预编码矩阵
Figure BDA0003797627040000034
其中，
Figure BDA0003797627040000035
NRF为RF链数量；
第m个子载波的数字预编码矩阵FBB,m＝μVm(:,1:Ns)；其中，μ为功率归一化参数，Vm为右奇异矢量。
优选地，所述阵列增益为
Figure BDA0003797627040000036
优选地，第m个子载波的信道矩阵的表达式为：
Figure BDA0003797627040000037
其中，L为信道路径数，fm为第m个子载波的频率，(φl,θl)为基站第l条信道路径的方位角和俯仰角，(βl,θl)为用户端第l条信道路径的方位角和俯仰角，aUE(βl,θl)为接收端的频率相关的阵列响应矢量，aBS(φl,θl)为发送端的频率相关的阵列响应矢量。
按照本发明的第二方面，提供了一种3D混合波束成形装置，包括：
相移矩阵获取模块，用于根据通信系统的配置信息及信道状态信息，基于阵列增益最大化原则，求解Nth个水平TTD及Ntv个垂直TTD的相移矩阵；
其中，所述通信系统为基于UPA的太赫兹宽带大规模MIMO通信系统，发送天线数为Nth×Ntv，发送数据流数量为Ns；所述通信系统的发端中各RF链均分别与Nth个水平TTD的一端连接，Nth个水平TTD的另一端均分别与Ntv个垂直TTD的一端连接，Ntv个垂直TTD的另一端与UPA的Ntv列天线一一对应连接；或，所述通信系统的发端中各RF链均分别与Ntv个垂直TTD的一端连接，Ntv个垂直TTD的另一端均分别与Nth个水平TTD的一端连接，Nth个水平TTD的另一端与UPA的Nth行天线一一对应连接；
模拟预编码矩阵获取模块，用于基于所述Nth个水平TTD及Ntv个垂直TTD的相移矩阵的克罗内克积，构造第m个子载波的模拟预编码矩阵；
数字预编码矩阵获取模块，用于对第m个子载波的信道矩阵与模拟预编码矩阵的乘积进行SVD分解得到的右奇异矢量中的Ns列进行功率归一化，得到第m个子载波的数字预编码矩阵；
混合预编码获取模块，用于将第m个子载波的模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵相乘，得到其混合预编码矩阵。
按照本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本申请提出的3D混合波束成形方法，通过利用双层TTD生成频率相关的相移矩阵，从而生成频率相关的模拟预编码矩阵，可以同时从水平方向和垂直方向解决基于均匀平面天线阵列的宽带通信系统中的波束斜视问题，实现系统和速率逼近最优全数字预编码的性能。
2、本申请提出的3D混合波束成形方法，能够很好地利用均匀平面阵列天线的架构特性，大大减少了TTD硬件所需数量从而大大降低了硬件成本和功耗，能够为实际应用提供便利。
附图说明
图1为本发明实施例提供的场景示意图；
图2为本发明实施例提供的3D混合波束成形方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的平均频谱效率仿真图；
图4为本发明实施例提供的电子设备示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为进一步解决波束斜视，基于TTD(Ture Time Delay，真时延)器件的混合预编码架构被提出。TTD器件得益于其能够改变不同频率载波的相位的优点，能够很好地缓解太赫兹大规模MIMO宽带通信系统中存在的波束斜视问题，获得逼近最优全数字预编码的性能。
基于此，本发明实施例提供一种3D混合波束成形方法，用于高频大规模MIMO宽带通信系统发端，能够解决现有混合预编码方法在宽带多天线系统中面临的波束斜视问题，尤其适用于高频段大规模MIMO宽带通信系统。
通信系统模型为单用户的太赫兹大规模MIMO宽带通信系统，如图1所示，发送端配备Nt＝Nth×Ntv根天线的UPA(Uniformplanar array，均匀平面阵列)，接收端为配备Nr＝Nrh×Nrv根接收天线UPA的单用户，发送数据流为Ns，射频链数量为NRF，满足Nr＝Ns≤NRF＜＜Nt，对于第m个子载波而言，发送信号
Figure BDA0003797627040000061
先经过数字预编码
Figure BDA0003797627040000062
处理，然后经过模拟预编码
Figure BDA0003797627040000063
处理，最后传输到UPA天线上，模拟预编码满足恒模限制，此外，受到总功率约束条件为||FRFFBB,m||F＝Ns，则第m个子载波的接收信号为ym＝HmFRFFBB,mxm+nm，
Figure BDA0003797627040000064
为第m个子载波的信道矩阵，nm为服从均值为0，方差为1高斯分布的噪声。
在太赫兹大规模MIMO宽带系统中考虑波束斜视，因此信道矩阵为：
Figure BDA0003797627040000065
其中，(φl,θl)和(βl,θl)分别为基站和用户端的AOD，AOA信息，aUE(βl,θl)为接收端的阵列响应矢量，aBS(φl,θl)为发送端的阵列响应矢量。
Figure BDA0003797627040000066
设UPA建模在x-y平面上，以基站端阵列响应矢量为例，
Figure BDA0003797627040000067
代表水平转向矢量，
Figure BDA0003797627040000068
代表垂直转向矢量，该转向矢量均与不同子载波频率fm相关，表达式分别为：
Figure BDA0003797627040000069
Figure BDA00037976270400000610
由于本申请聚焦于发送端的混合预编码设计，因此忽略接收端的混合接收矩阵设计并假设能够实现完美接收。则系统的总频谱效率为
Figure BDA00037976270400000611
混合波束成形设计的优化问题可以通过阵列增益最大化实现，即在满足功率约束的条件下，求解使得阵列增益最大(阵列增益最大即可实现总频谱效率最大)的模拟和数字预编码矩阵。
本发明实施例提出的3D混合波束成形方法流程图如图2所示，下面对该混合预编码方法包含的步骤S1-S4进行详细说明：
S1，根据获取的通信系统的配置信息及信道状态信息，基于阵列增益最大化原则，求解Nth个水平TTD(以下简称水平组TTD)及Ntv个垂直TTD(以下简称垂直组TTD)的相移矩阵。
具体地，所述通信系统为基于UPA的太赫兹宽带大规模MIMO通信系统，获取基于均匀平面阵列的太赫兹信道状态信息，包括到达角(Angle of arrival，AOA)，离开角(Angleof departure，AOD)，信道矩阵H，以及系统配置基本信息，包括发送天线数Nt＝Nth×Ntv，接收天线数Nr＝Nrh×Nrv，发送数据流数量Ns，RF链数量NRF，子载波数量M，带宽B，中心频率fc等。
信道矩阵为太赫兹大规模MIMO宽带通信系统中的信道矩阵，其第m个子载波的表达式为
Figure BDA0003797627040000071
以基站端阵列响应矢量为例，
Figure BDA0003797627040000072
代表水平转向矢量，
Figure BDA0003797627040000073
代表垂直转向矢量，该转向矢量均与不同子载波频率fm相关，若采用相控阵天线进行模拟预编码，则会出现严重的波束斜视效应。
信道矩阵为太赫兹宽带大规模MIMO通信系统中的信道矩阵，中心频率fc在0.1-100THz之间，系统带宽B在数十或数百GHz范围内。第m个子载波的信道矩阵的表达式为
Figure BDA0003797627040000074
其中，(φl,θl)和(βl,θl)分别为基站和用户端的AOA，AOD信息，每个AOA和AOD均包括方位角和俯仰角，即：(φl,θl)为基站第l条信道路径的方位角和俯仰角，(βl,θl)为用户端第l条信道路径的方位角和俯仰角；aUE(βl,θl)为接收端的频率相关的阵列响应矢量，aBS(φl,θl)为发送端的频率相关的阵列响应矢量，L为信道路径数，fm为第m个子载波的频率。
Figure BDA0003797627040000081
Figure BDA0003797627040000082
以基站端阵列响应矢量为例，
Figure BDA0003797627040000083
代表水平转向矢量，
Figure BDA0003797627040000084
代表垂直转向矢量，该转向矢量均与不同子载波频率fm相关。
所述通信系统为基于UPA的太赫兹宽带大规模MIMO通信系统，发送天线数为Nth×Ntv，发送数据流数量为Ns。
所述通信系统中各RF链均分别与Nth个水平TTD的一端连接，Nth个水平TTD的另一端均分别与Ntv个垂直TTD的一端连接，Ntv个垂直TTD的另一端与UPA的Ntv列天线一一对应连接(例如：第1个垂直TTD与UPA中的第1列天线连接，第2个垂直TTD与UPA中的第2列天线连接，…，第Ntv个垂直TTD与UPA中的第Ntv列天线连接)；
或，所述通信系统的发端中各RF链均分别与Ntv个垂直TTD的一端连接，Ntv个垂直TTD的另一端均分别与Nth个水平TTD的一端连接，Nth个水平TTD的另一端与UPA的Nth行天线一一对应连接(例如：第1个水平TTD与UPA中的第1行天线连接，第2个水平TTD与UPA中的第2行天线连接，…，第Nth个水平TTD与UPA中的第Nth行天线连接)。
水平维度TTD的数量与水平天线数量相同，每根TTD连接UPA中每一行的天线，用于在该行天线改变相同的相位。
垂直维度TTD的数量与垂直天线数量相同，每根TTD连接UPA中每一列的天线，用于在该列天线改变相同的相位。
发送天线与射频链之间只有双层TTD相连，每根RF链均连接相同数量的双层TTD。
具体地，所述通信系统包含采用双层TTD用于基于UPA的大规模MIMO系统发端装置，每根RF链连接两组TTD，一组为水平维度TTD(即水平组TTD)，一组为垂直维度TTD(即垂直组TTD)，分别从水平和垂直维度在UPA天线上进行频率相关的相位调整。
根据上述的系统配置信息与信道状态信息，基于阵列增益最大化原则，同时求解3D频率相关的水平和垂直两个维度TTD的时延系数以及其对应的相移矩阵。
根据阵列增益
Figure BDA0003797627040000091
最大化，则应当满足条件
Figure BDA0003797627040000092
其中，
Figure BDA0003797627040000093
为水平TTD组改变的延迟相位，
Figure BDA0003797627040000094
为垂直TTD组改变的延迟和相位。以UPA建立在x-y平面为例，
Figure BDA0003797627040000095
Figure BDA0003797627040000096
因此，若使阵列增益最大，则水平组TTD产生的相移应与水平阵列响应矢量相同，则水平组TTD产生的延迟矩阵为：
Figure BDA0003797627040000097
则水平组TTD的相移矩阵可求得为：
Figure BDA0003797627040000098
同理，垂直组TTD产生的延迟矩阵为：
Figure BDA0003797627040000099
则垂直组TTD的相移矩阵可求得为：
Figure BDA00037976270400000910
其中，j为虚数，fc为中心频率，fm为第m个子载波的频率X，φl和θl分别为基站第l条信道路径的方位角和俯仰角。
如此，即可获得水平组TTD和垂直组TTD的相移矩阵。
S2，基于所述水平组TTD及垂直组TTD的相移矩阵的克罗内克积，构造第m个子载波的模拟预编码矩阵。
具体地，根据S1中频率相关的水平和垂直两个维度TTD的相移矢量，利用克罗内克积求解得到频率相关的总相移矩阵，然后通过求解每个RF链的模拟预编码矢量合并得到第m个子载波的频率相关的模拟预编码矩阵。
计算方法如下：
每根RF链对应一个信道路径，针对每个RF链，获得对应信道路径的AOA和AOD信息，根据路径角度信息，求得水平组和垂直组TTD的相移矩阵，并求得总相移矩阵，从而获得每个RF链下的模拟预编码矢量，即为每个路径的模拟预编码矢量，可表示为
Figure BDA0003797627040000101
当求得所有RF链上的模拟预编码矢量后，根据
Figure BDA0003797627040000102
求得第m个子载波的模拟预编码矩阵。
S3，对第m个子载波的信道矩阵与模拟预编码矩阵的乘积进行SVD分解得到的右奇异矢量中的Ns列进行功率归一化，得到第m个子载波的数字预编码矩阵。
具体地，根据S2中所求得的频率相关的模拟预编码矩阵FRF,m，构造虚拟信道矩阵
Figure BDA0003797627040000103
其中Hm为H中的第m个子载波的信道矩阵。并对
Figure BDA0003797627040000104
进行SVD分解
Figure BDA0003797627040000105
得到右奇异矢量Vm。取右奇异矢量中的前Ns列并进行功率归一化操作，得到最优数字预编码矩阵FBB,m＝μVm(:,1:Ns)，其中μ为功率归一化参数，从而计算得到混合预编码矩阵FRF,mFBB,m。
也即，第m个子载波的模拟预编码矩阵
Figure BDA0003797627040000106
其中，
Figure BDA0003797627040000111
NRF为RF链数量；
第m个子载波的数字预编码矩阵FBB,m＝μVm(:,1:Ns)；其中，μ为功率归一化参数，Vm为右奇异矢量。
S4，将第m个子载波的模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵相乘，得到其混合预编码矩阵。
具体地，将模拟预编码矩阵FRF,m与数字预编码矩阵FBB,m相乘得到第m个子载波的混合预编码矩阵FRF,mFBB,m。
以下以采用现有的最优全数字SVD分解预编码方法、基于传统移相器架构的混合预编码方法，作为对比，进一步验证本发明实施例所提供的3D混合波束成形方法相对于现有技术所能取得的有益效果。在图3中，横坐标表示信噪比，单位dB，纵坐标表示系统平均频谱效率，表示每个子载波单位时间的传输速率。图3提供了3种预编码方法得到的平均频谱效率与信噪比关系，分别是：最优全数字SVD分解预编码，基于传统移相器架构的混合预编码，本申请基于双层TTD的混合预编码方法。
在图3中，参数设置情况为，发射天线为Nt＝32×32，接收天线数目为Nr＝4×4，中心频率为300GHz，带宽为60GHz，子载波个数为128，RF链个数和传输数据流数量均为4，本申请基于双层TTD的混合预编码架构和方法的系传输速率逼近最优全数字SVD分解预编码，在信噪比为15dB时能获得接近(50)bits/s/Hz的传输速率。相对于传统移相器架构，在太赫兹大规模MIMO宽带通信系统中对抗波束斜视的能力更强。
下面对本发明提供的3D混合波束成形装置进行描述，下文描述的3D混合波束成形装置与上文描述的3D混合波束成形方法可相互对应参照。
本发明实施例提供一种3D混合波束成形装置，包括：
相移矩阵获取模块，用于根据通信系统的配置信息及信道状态信息，基于阵列增益最大化原则，求解Nth个水平TTD及Ntv个垂直TTD的相移矩阵；
其中，所述通信系统为基于UPA的太赫兹宽带大规模MIMO通信系统，发送天线数为Nth×Ntv，发送数据流数量为Ns；所述通信系统中各RF链均分别与Nth个水平TTD的一端连接，Nth个水平TTD的另一端均分别与Ntv个垂直TTD连接，Ntv个垂直TTD的另一端与UPA的Ntv列天线一一对应连接；或，所述通信系统的发端中各RF链均分别与Ntv个垂直TTD的一端连接，Ntv个垂直TTD的另一端均分别与Nth个水平TTD连接，Nth个水平TTD的另一端与UPA的Nth行天线一一对应连接；
模拟预编码矩阵获取模块，用于基于所述Nth个水平TTD及Ntv个垂直TTD的相移矩阵的克罗内克积，构造第m个子载波的模拟预编码矩阵；
数字预编码矩阵获取模块，用于对第m个子载波的信道矩阵与模拟预编码矩阵的乘积进行SVD分解得到的右奇异矢量中的Ns列进行功率归一化，得到第m个子载波的数字预编码矩阵；
混合预编码获取模块，用于将第m个子载波的模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵相乘，得到其混合预编码矩阵。最终计算每个子载波的混合预编码矩阵。
可以理解的是，本装置还包括信道状态信息和系统配置参数获取模块，用于获取对应信道状态信息与系统配置参数等信息；时延获取模块，用于获取水平和垂直两个维度的TTD的时延系数。
本发明实施例提供的装置适用于所有存在波束斜视效应的高频大规模MIMO宽带通信系统。
本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一实施例所述的方法的步骤。
本发明实施例提供一种3D混合波束成形系统300，如图4所示，包括：计算机可读存储介质320和处理器310；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如上述任一实施例所述的方法。
具体地，处理器310例如可以包括通用微处理器、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(ASIC))，等等。处理器310还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器310可以是用于执行参考上述图1-图3所描述的根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。
计算机可读存储介质320，例如可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，可读存储介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。可读存储介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘(HDD)；光存储装置，如光盘(CD-ROM)；存储器，如随机存取存储器(RAM)或闪存；和/或有线/无线通信链路。
计算机可读存储介质320可以包括计算机程序321，该计算机程序321可以包括代码/计算机可执行指令，其在由处理器310执行时使得处理器310执行例如上述任一实施例所描述的方法流程及其任何变形。
计算机程序321可被配置为具有例如包括计算机程序模块的计算机程序代码。例如，在示例实施例中，计算机程序321中的代码可以包括一个或多个程序模块，例如包括模块321A、模块321B、……。应当注意，模块的划分方式和个数并不是固定的，本领域技术人员可以根据实际情况使用合适的程序模块或程序模块组合，当这些程序模块组合被处理器310执行时，使得处理器310可以执行例如上述任一实施例所描述的方法流程及其任何变形。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种3D混合波束成形方法，其特征在于，包括：
S1，根据通信系统的配置信息及信道状态信息，基于阵列增益最大化原则，求解Nth个水平TTD及Ntv个垂直TTD的相移矩阵；
其中，所述通信系统为基于UPA的太赫兹宽带大规模MIMO通信系统，发送天线数为Nth×Ntv，发送数据流数量为Ns；所述通信系统的发端中各RF链均分别与Nth个水平TTD的一端连接，Nth个水平TTD的另一端均分别与Ntv个垂直TTD的一端连接，Ntv个垂直TTD的另一端与UPA的Ntv列天线一一对应连接；或，所述通信系统的发端中各RF链均分别与Ntv个垂直TTD的一端连接，Ntv个垂直TTD的另一端均分别与Nth个水平TTD的一端连接，Nth个水平TTD的另一端与UPA的Nth行天线一一对应连接；
S2，基于所述Nth个水平TTD及Ntv个垂直TTD的相移矩阵的克罗内克积，构造第m个子载波的模拟预编码矩阵；
S3，对第m个子载波的信道矩阵与模拟预编码矩阵的乘积进行SVD分解得到的右奇异矢量中的Ns列进行功率归一化，得到第m个子载波的数字预编码矩阵；
S4，将第m个子载波的模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵相乘，得到其混合预编码矩阵。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Nth个水平TTD的相移矩阵为：
Figure FDA0003797627030000011
所述Ntv个垂直TTD的相移矩阵为：
Figure FDA0003797627030000012
其中，j为虚数，fc为中心频率，fm为第m个子载波的频率，φl和θl分别为基站第l条信道路径的方位角和俯仰角，
Figure FDA0003797627030000021
Figure FDA0003797627030000022
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第m个子载波的模拟预编码矩阵
Figure FDA0003797627030000023
其中，
Figure FDA0003797627030000024
NRF为RF链数量；
第m个子载波的数字预编码矩阵FBB,m＝μVm(:,1:Ns)；其中，μ为功率归一化参数，Vm为右奇异矢量。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述阵列增益为
Figure FDA0003797627030000025
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第m个子载波的信道矩阵的表达式为：
Figure FDA0003797627030000026
其中，L为信道路径数，fm为第m个子载波的频率，(φl,θl)为基站第l条信道路径的方位角和俯仰角，
Figure FDA0003797627030000027
为用户端第l条信道路径的方位角和俯仰角，
Figure FDA0003797627030000028
为接收端的频率相关的阵列响应矢量，aBS(φl,θl)为发送端的频率相关的阵列响应矢量。
6.一种3D混合波束成形装置，其特征在于，包括：
相移矩阵获取模块，用于根据通信系统的配置信息及信道状态信息，基于阵列增益最大化原则，求解Nth个水平TTD及Ntv个垂直TTD的相移矩阵；
其中，所述通信系统为基于UPA的太赫兹宽带大规模MIMO通信系统，发送天线数为Nth×Ntv，发送数据流数量为Ns；所述通信系统的发端中各RF链均分别与Nth个水平TTD的一端连接，Nth个水平TTD的另一端均分别与Ntv个垂直TTD的一端连接，Ntv个垂直TTD的另一端与UPA的Ntv列天线一一对应连接；或，所述通信系统的发端中各RF链均分别与Ntv个垂直TTD的一端连接，Ntv个垂直TTD的另一端均分别与Nth个水平TTD的一端连接，Nth个水平TTD的另一端与UPA的Nth行天线一一对应连接；
模拟预编码矩阵获取模块，用于基于所述Nth个水平TTD及Ntv个垂直TTD的相移矩阵的克罗内克积，构造第m个子载波的模拟预编码矩阵；
数字预编码矩阵获取模块，用于对第m个子载波的信道矩阵与模拟预编码矩阵的乘积进行SVD分解得到的右奇异矢量中的Ns列进行功率归一化，得到第m个子载波的数字预编码矩阵；
混合预编码获取模块，用于将第m个子载波的模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵相乘，得到其混合预编码矩阵。
7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的方法。
CN202210974428.0A 2022-08-15 2022-08-15 一种3d混合波束成形方法、装置及电子设备 Active CN115426019B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210974428.0A CN115426019B (zh) 2022-08-15 2022-08-15 一种3d混合波束成形方法、装置及电子设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210974428.0A CN115426019B (zh) 2022-08-15 2022-08-15 一种3d混合波束成形方法、装置及电子设备

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115426019A true CN115426019A (zh) 2022-12-02
CN115426019B CN115426019B (zh) 2024-05-14

Family

ID=84198830

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210974428.0A Active CN115426019B (zh) 2022-08-15 2022-08-15 一种3d混合波束成形方法、装置及电子设备

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115426019B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116054894A (zh) * 2023-01-10 2023-05-02 电子科技大学 一种抑制波束斜视影响的混合预编码方法
CN116094556A (zh) * 2022-12-15 2023-05-09 重庆邮电大学 基于irs辅助太赫兹mimo通信系统的空间多路复用方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015149312A1 (zh) * 2014-04-02 2015-10-08 华为技术有限公司 一种基于波束成形的通信方法及装置
CN109617585A (zh) * 2019-01-18 2019-04-12 杭州电子科技大学 毫米波大规模mimo中基于部分连接的混合预编码方法
CN110212959A (zh) * 2019-05-16 2019-09-06 华中科技大学 一种毫米波mimo-ofdm通信系统的混合预编码能效优化方法
US20220368385A1 (en) * 2021-04-29 2022-11-17 Industry Academy Cooperation Foundation Of Sejong University Millimeter wave-based multi-user massive mimo-based hybrid beamforming system and analog precoder matrix acquisition method applied thereto

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015149312A1 (zh) * 2014-04-02 2015-10-08 华为技术有限公司 一种基于波束成形的通信方法及装置
CN109617585A (zh) * 2019-01-18 2019-04-12 杭州电子科技大学 毫米波大规模mimo中基于部分连接的混合预编码方法
CN110212959A (zh) * 2019-05-16 2019-09-06 华中科技大学 一种毫米波mimo-ofdm通信系统的混合预编码能效优化方法
US20220368385A1 (en) * 2021-04-29 2022-11-17 Industry Academy Cooperation Foundation Of Sejong University Millimeter wave-based multi-user massive mimo-based hybrid beamforming system and analog precoder matrix acquisition method applied thereto

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
丁青锋;邓玉前;连义翀;: "毫米波MIMO系统离散化混合预编码设计", 计算机应用研究, no. 06 *
傅华;姚天任;江小平;陈少平;: "多用户MIMO系统中的一种低复杂度用户选择算法", 计算机工程与应用, no. 11, 11 April 2007 (2007-04-11) *
谭力;苏钢;朱光喜;宁元辉;: "一种应用于ORBF算法的多权重矩阵选择策略", 小型微型计算机系统, no. 04, 15 April 2010 (2010-04-15) *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116094556A (zh) * 2022-12-15 2023-05-09 重庆邮电大学 基于irs辅助太赫兹mimo通信系统的空间多路复用方法
CN116094556B (zh) * 2022-12-15 2024-05-14 重庆邮电大学 基于irs辅助太赫兹mimo通信系统的空间多路复用方法
CN116054894A (zh) * 2023-01-10 2023-05-02 电子科技大学 一种抑制波束斜视影响的混合预编码方法
CN116054894B (zh) * 2023-01-10 2024-08-16 电子科技大学 一种抑制波束斜视影响的混合预编码方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN115426019B (zh) 2024-05-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112235026B (zh) 一种mimo-ofdma太赫兹通信系统的混合波束设计方法
Dai et al. Near-optimal hybrid analog and digital precoding for downlink mmWave massive MIMO systems
CN113746534A (zh) 一种卫星大规模mimo通信感知一体化的发送方法
CN115426019B (zh) 一种3d混合波束成形方法、装置及电子设备
US11838079B2 (en) MIMO systems
CN109861731B (zh) 一种混合预编码器及其设计方法
CN108880635A (zh) 一种基于正交码本的毫米波mimo系统的收发联合混合预编码方法
CN106571858B (zh) 一种混合波束成形传输系统
CN108199753A (zh) 一种毫米波通信中基于迭代最小的预编码方法
EP3683975A1 (en) Method for enabling analog precoding and analog combining
CN107809275A (zh) 一种基于毫米波mimo系统的有限反馈混合预编码方法
CN110233649B (zh) 一种基于毫米波mimo系统的动态子阵列设计方法
Liu et al. Hybrid beamforming for mmWave MIMO-OFDM system with beam squint
Yan et al. Dynamic-subarray with fixed-true-time-delay architecture for terahertz wideband hybrid beamforming
CN102171946B (zh) 数据传输方法和装置
CN108270471A (zh) 大规模天线阵列系统中低反馈混合预编码与接收合并方法
CN111478724A (zh) 一种面向无人机毫米波平台的三维波束搜索方法
CN112803977B (zh) 波束偏移效应下毫米波通信系统的混合预编码方法
US10804995B2 (en) Radio frequency chain allocation method and radio node device
CN112398513A (zh) 一种massive MIMO系统的波束赋形方法
CN107104719A (zh) 一种基于几何构造的毫米波数字模拟混合预编码设计方法
CN114978264B (zh) 基于太赫兹mimo系统的混合预编码方法
CN112636800B (zh) 基于毫米波大规模mimo多用户场景的混合预编码方法
CN109756254B (zh) 一种混合预编码处理方法及相关设备
Zhang et al. ADMM enabled hybrid precoding in wideband distributed phased arrays based MIMO systems

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant