一种混合波束成形传输系统和方法技术方案

技术编号:15189534 阅读:187 留言:0更新日期:2017-04-19 18:58
本发明专利技术提供一种混合波束成形传输系统和方法,传输系统采用固定子阵混合波束成形结构的发送端和由多个用户接收端组成的接收端,所述发送端向所述接收端发送信道导频信号和等效信道导频信号,所述用户接收端包括模拟合并器和数字合并器;所述发送端包括模拟预编码器和数字预编码器,发送端和用户接收端基于已经确定的模拟/数字加权系数进行数据的下行链路传输。本发明专利技术作为在固定子阵连接方式下的混合波束成形传输方案,拥有良好的通信性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多天线无线通信网络领域,更具体地,涉及基于固定子阵的多用户接收端混合波束成形传输系统和方法。
技术介绍
毫米波(mmWave)频段中大量的闲置带宽(IEEE802.11ad物理层标准中,60GHz的标准带宽为2.16GHz是传统3G通信带宽的近百倍)可以极大地提高通信系统的传输容量。由于毫米波的波长较小使得设备可以配备上百根天线单元构成大规模天线阵列(massiveMIMO)进而极大地提高了频谱效率。因此毫米波大规模天线通信成为最有潜力的5G热门候选技术。然而,实际运用中高频射频单元的工艺复杂。同时,大规模信号的模拟数字转换会带来大量的能量消耗(特别是对于高频器件),后续数字信号处理的复杂度也会随着射频单元的增加而迅速上升。为了能够将该技术运用于实际部署,简单的硬件实现结构以及低耗能低复杂度的传输方案成为毫米波大规模天线通信中的核心问题。传统的纯数字链路是指为每一根天线配备一条射频链路。这样带来的好处是它提供了足够的自由度可以大幅提高通信系统的性能。然而其弊端也显而易见,随着天线数量的急剧上升,射频单元的能耗与处理的复杂度也大大增加。传统的纯模拟链路则与纯数字链路恰恰相反,它将所有的天线分别经过移相器连接至一条射频链路。这样做的好处是结构简单易实现,同时它也大大降低了设备的能耗。但是由于只存在一条射频链路,通信的自由度大大降低,导致系统性能大打折扣。这样的前提下,一种数字模拟混合的发射机/接收机结构成为学术界和工业界关注的焦点。大规模的射频天线单元通过全连接(自适应子阵结构)或部分连接(固定子阵结构)的方式与少量射频单元相连,收发机内的整条信号通路可分为两个部分:射频链路部分(大规模天线构成的模拟前端)以及数字处理部分(少量射频单元组成的数字后端)。模拟、数字两者的结合保证系统只需要少量的数字模拟转换单元,从而数字域的转换能耗以及处理复杂度大大降低。同时,还可以通过模拟域的大规模天线阵进行有效的模拟波束成形弥补信号传播过程中的路径损耗。因此,这种混合波束成形结构成为了得到业界一致认可的毫米波大规模天线通信系统解决方案。学术界目前对基于全连接的混合波束成形方式已有一些解决方案以及性能分析,不过对于采用部分连接方式的混合波束成形目前学术界和工业界的讨论都还非常有限,缺乏有效解决方案。但是就硬件实现复杂度而言,全连接方式的大规模天线系统在毫米波频段下不太现实,更实用的通信系统应当是采用固定子阵的连接方式。这种结构上的变化使得原本适用于全连接的混合波束成形算法在固定子阵下变得不可行,需要寻求新的解决方案。综上所述,如何设计一种行之有效、基于固定子阵的混合波束成形传输方案是推进毫米波大规模天线通信实用化的主要议题之一。
技术实现思路
本专利技术提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的混合波束成形传输系统和方法。根据本专利技术的一个方面,提供一种包括均采用固定子阵混合波束成形结构的发送端和由多个用户接收端组成的接收端,所述发送端向所述接收端发送信道导频信号和等效信道导频信号,所述发送端包括:模拟预编码器,基于所有用户接收端的模拟合并加权向量,获取模拟合并加权系数,得到模拟预编码加权系数;以及数字预编码器,基于所有用户接收端的数字合并加权向量,获取数字合并加权系数,得到数字预编码加权系数;所述用户接收端包括:模拟合并器,基于所接收到的所述信道导频信号,估计自身的信道信息,获取模拟合并加权向量;以及数字合并器,基于所接收到的等效信道导频信号,估计自身的等效信道信息,获取数字合并加权向量;所述发送端和所述用户接收端基于模拟加权系数和数字加权系数进行数据的下行链路传输。根据本专利技术的另一个方面,提供一种混合波束成形传输系统,传输双方包括所述发送端和由多个用户接收端组成的所述接收端,传输双方均采用固定子阵混合波束成形结构;其中,所述接收端和所述发送端基于估计的信道信息逐一获得模拟合并加权系数和模拟预编码加权系数;所述接收端和所述发送端基于估计的数字等效信道信息逐一数字合并加权系数和数字预编码加权系数;以及发送端和接收端基于已经确定的模拟/数字加权系数进行数据的下行链路传输。本申请提出了一种混合波束成形传输系统和方法,通过对估计信道矩阵的特定处理逐一确定接收端和发送端的模拟加权系数和数字加权系数,本传输系统和方法拥有良好的通信性能,不失为在固定子阵连接方式下一种有效的多用户接收端混合波束成形传输方案。附图说明图1为本专利技术提供的混合波束成形收发双方的结构示意图;图2为本专利技术的传输方法的通信流程示意图;图3为本专利技术的接收端获取模拟合并矩阵的算法示意图;图4为本专利技术的发送端获取模拟预编码矩阵的算法示意图;图5为本专利技术的接收端获取数字合并矩阵的算法示意图;图6为本专利技术的发送端获取数字预编码矩阵的算法示意图;图7为本专利技术的单天线单数据流用户接收端方案的仿真稀疏毫米波信道结果图;图8为本专利技术的单天线单数据流用户接收端方案的仿真瑞利信道结果图;图9为本专利技术的多天线单数据流用户接收端方案的仿真稀疏毫米波信结果图;图10为本专利技术的多天线单数据流用户接收端方案的仿真瑞利信道结果图。具体实施方式下面结合附图和实施例,对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术,但不用来限制本专利技术的范围。在一个具体实施例中,结合附图对本专利技术进行进一步的说明。图1给出了一种基于固定子阵的混合波束成形收发双方的结构示意图,其中,发送端主要由射频链路后端的数字预编码器和射频链路前端的模拟预编码器组成;接收端主要由射频链路前端的模拟合并器和射频链路后端的数字合并器组成。发送端配备NBS根天线通过固定子阵的方式(每根天线连接一个移相器)连接到K条射频链路(每NMASK根天线服务一路用户接收端且连接到一条射频链路)。接收端每个用户接收端配备NMS根天线同样通过固定子阵的方式(每根天线连接一个移相器)连接到一条射频链路。该收发结构适用于毫米波大规模天线下的点对多点的单流数据通信。其信号从发送端到接收端的传输模型为:其中,s为K×1发送信号向量且满足为K×1估计信号向量。H=[H1…HK]T建模KNMS×NBS复信道矩阵。WRF、WBB分别建模为KNMS×K模拟合并矩阵和K×K数字合并矩阵,且满足FRF、FBB分别建模为NBS×K模拟预编码矩阵和K×K数字预编码矩阵,且满足(对于基于全连接的混合波束成形结构,FRF没有对角阵的限制,故而其分析和求解与基于固定子阵的混合波束成形结构不同)。n建模为接收端的复高斯白噪声,ρ代表平均每个用户接收端的发送信噪比。设Mk、Wk、Bk分别为WBB、WRF、FBB的第k列,当传输高斯信号时,其和速率可表示为其中,在一个具体实施例中,所述模拟合并器基于自身估计的信道信息获得模拟合并加权向量;所述数字合并器基于自身估计的等效信道信息获得数字合并加权向量;所述模拟预编码器基于所有用户接收端的模拟合并加权向量,获取模拟合并加权系数,得到模拟预编码加权系数;所述数字预编码器基于所有用户接收端的数字合并加权向量,获取数字合并加权系数,得到数字预编码加权系数;所述发送端和用户接收端基于已经确定的模拟加权系数和数字加权系数进行数据的下行链路传输。所述模拟加权系数包括模拟合并加权系数和模拟预编码加权系数。所述数字加权系本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种混合波束成形传输系统,包括均采用固定子阵混合波束成形结构的发送端和由多个用户接收端组成的接收端,所述发送端向所述接收端发送信道导频信号和等效信道导频信号,其特征在于,所述发送端包括:模拟预编码器,基于所有用户接收端的模拟合并加权向量,获取模拟合并加权系数,得到模拟预编码加权系数;以及数字预编码器,基于所有用户接收端的数字合并加权向量,获取数字合并加权系数,得到数字预编码加权系数;所述用户接收端包括:模拟合并器,基于所接收到的所述信道导频信号,估计自身的信道信息,获取模拟合并加权向量;以及数字合并器,基于所接收到的等效信道导频信号,估计自身的等效信道信息,获取数字合并加权向量;所述发送端和所述用户接收端基于模拟加权系数和数字加权系数进行数据的下行链路传输。

【技术特征摘要】
1.一种混合波束成形传输系统,包括均采用固定子阵混合波束成形结构的发送端和由多个用户接收端组成的接收端,所述发送端向所述接收端发送信道导频信号和等效信道导频信号,其特征在于,所述发送端包括:模拟预编码器,基于所有用户接收端的模拟合并加权向量,获取模拟合并加权系数,得到模拟预编码加权系数;以及数字预编码器,基于所有用户接收端的数字合并加权向量,获取数字合并加权系数,得到数字预编码加权系数;所述用户接收端包括:模拟合并器,基于所接收到的所述信道导频信号,估计自身的信道信息,获取模拟合并加权向量;以及数字合并器,基于所接收到的等效信道导频信号,估计自身的等效信道信息,获取数字合并加权向量;所述发送端和所述用户接收端基于模拟加权系数和数字加权系数进行数据的下行链路传输。2.如权利要求1所述的混合波束成形传输系统,其特征在于,所述模拟合并器包括:第一估算模块,接受导频信号并估计自身的信道信息;第一分解模块,其与所述第一估算模块连接,对自身估计的信道信息进行SVD分解并获得左特征向量;第一相位模块,其与所述第一分解模块连接、基于所述左特征向量获取与自身信道最大特征值对应的相位信息;以及模拟合并模块,其与所述第一相位模块连接,基于所述相位信息得到自身的模拟合并加权向量。3.如权利要求2所述的混合波束成形传输系统,其特征在于,所述模拟预编码器包括:第二估算模块,其接收所有用户接收端的模拟合并加权向量,获取模拟合并加权系数,并估计模拟合并信道信息;第二分解模块,其与所述第二估算模块连接,将所述模拟合并信道信息分解以获得每个用户接收端的子信道信息;第二相位模块,其与所述第二分局模块连接,基于每个用户接收端的子信道信息获得对应的共轭相位信息;模拟预编码向量模块,其与所述第二相位模块连接,基于每个用户接收端的所述共轭相位信息获得对应的模拟预编码加权向量;以及模拟预编码模块,与所述模拟预编码向量模块连接,基于每个用户接收端的模拟预编码加权向量获得模拟预编码加权系数。4.如权利要求3所述的混合波束成形传输系统,其特征在于,所述数字合并器包括:第三估算模块,接收所述数字等效信道导频信号并估计自身的数字等效信道信息;第三分解模块,与所述第三估算模块连接,对自身估计的数字等效信道信息进行SVD分解,获得左特征向量;以及数字合并模块,将所述左特征向量作为自身的数字合并加权向量。5.如权利要求4所述的混合波束成形...

【专利技术属性】
技术研发人员:武霄泳刘丹谱尹长川张志龙
申请(专利权)人:北京邮电大学
类型:发明
国别省市:北京;11

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