毫米波通信链路多波束赋形方法及装置制造方法及图纸

技术编号:15651307 阅读:440 留言:0更新日期:2017-06-17 04:27
本发明专利技术涉及一种毫米波通信链路多波束赋形方法,包括:根据导频对信道协方差矩阵进行估计;根据信道协方差矩阵估计将信道矩阵奇异矢量的估计作为发射机和接收机波束赋形矢量,得到波束赋形增益。本发明专利技术还涉及采用上述毫米波通信链路多波束赋形方法的发射机和接收机。本发明专利技术能够提高毫米波通信束赋形增益。

【技术实现步骤摘要】
毫米波通信链路多波束赋形方法及装置
本专利技术涉及毫米波无线传输
,特别是涉及一种毫米波通信链路多波束赋形方法及装置。
技术介绍
波束赋形技术是指采用特定的算法加权调整各个天线阵元发送信号的幅度值和相位值,以实现特定的阵列天线方向图来满足应用需求。把仅在射频或中频实现的波束赋形称为模拟波束赋形,把仅在数字基带实现的波束赋形称为数字波束赋形,而在数字基带部分完成阵元调幅、在射频部分完成阵元调相称为混合模拟数字波束赋形。波束赋形技术最初应用于雷达、声纳、军事通信中的波束扫描、目标发现和跟踪、空间滤波和抗干扰等功能。20世纪30年代已经提出相控阵天线的概念,其后的几十年间波束赋形技术获得充足发展,同时固态大功率器件出现(如GaAs、GaN、SiC)工作带宽和功率大幅增大,各种无源和有源的相控阵雷达广泛应用到军事领域,例如:弹道导弹等高速进攻性武器的防御、空间各种军事卫星的探测,空域内的目标搜索和高分辨率测向,作为武器配套的机载无源相控阵火控雷达和舰载雷达。90年代,随着DSP数字信号处理芯片的处理能力飞速提高和价格下降,使得利用数字信号处理方法在基带进行波束赋形进一步成为可能,因此自适应阵列天线开始应用于无线通信系统,成为抗干扰和扩容的有效手段。由于移动通信中存在多种干扰,例如,互调干扰、邻道干扰、同频干扰和多径衰落,而自适应阵列天线可实时自适应产生具备特定指标的空间定向波束,将波束主瓣对准移动台(MS)而将旁瓣或者零点对准干扰方向,因而能降低干扰提高增益。阵列天线可以实现空分多址(SDMA),在传统的频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)之外进一步提高频谱利用率。自适应阵列天线其波束赋形技术除了采用自适应算法,还可由固定码本波束切换技术。即在基站预先设定好有限多个波束赋形权值矢量,称为码本,每个波束赋形矢量能对应产生一个波束方向图(枚举这些方向图应可以离散地扫描整个空间)。当用户在移动时,根据接收到的用户信号,按照一定的准则(比如接收信号强度),从码本集中选择最优码本优化波束的方向图。当用户移动至固定相邻波束的边缘地带时,用户信号弱接收效果差,因此固定码本波束切换并不总能实现信号的最佳接收,但是具有无需判断上行波达角(DOA)和无需复杂自适应算法等优点可降低基站实时处理压力。由于波束赋形技术的众多优点,三大3G标准均支持智能天线技术,WiMAX也支持自适应天线系统(AAS,AdaptiveAntennaSystem)技术,而4GLTE更是在其R8版本在TM7以专用导频为基础规定了的基于端口5的单流波束赋形方案,在其R9版本在TM8定义了基于新端口7和新端口8的双流波束赋形技术(Dual-BF),将空分复用技术和波束赋形技术结合起来。随着对无线移动通信带宽和速率的要求和传统3GHz以下蜂窝移动频谱资源日益紧张,毫米波频段3-300GHz对应波长1mm-100mm日益受到关注(其中3-30GHz的电磁波称为超高频(SHF),30-300GHz的电磁波称为特高频(EHF),EHF的波长范围1mm-10mm)。毫米波技术和Massive-MIMO技术都被认为是未来5G的关键技术的一部分,许多国家也逐步开通了60GHz频谱附近、7GHz左右的完整不间断的频谱资源。毫米波有诸多优点:可利用频谱宽(有多个大气频谱窗口可用于陆地移动通信,多个大气吸收峰可用于保密通信和降低区间干扰提高小区频率复用),波长短便于运用Massive-MIMO和系统集成,类光性传输特性波束窄抗干扰强。尤其是E波段(71-76GHz,81-86GHz)波束窄、定向性好,非常适合于发展高速点对点无线局域网,移动回传链路以及宽带接入,然而路径传播损耗大(60GHz频段的氧气吸收峰值附近损耗达15dB/Km)、障碍物衰减显著、降雨衰减严重,导致远距离NLOS(Non-LineofSight)条件下传输困难,因此需要更大的天线增益来提供增益裕度,相比分集技术、多跳路由,波束赋形技术通过形成定向窄波束不仅能提升天线阵列增益同时能减少信号互扰,是提升毫米波通信系统性能必不可少的关键技术。现有的毫米波束赋形技术主要有如下几种,但均有一定的缺陷和不足:a).经典的方向图综合技术;方向图综合技术适用于相控阵雷达,即只考虑发送端的波束赋形和接收端的阵列信号处理(发送端和接收端往往是相同的阵列天线),这种条件下,目标只有一个点,用以反射回波。通过给每个天线不同的幅度值和相位值激烈,使得空间不用角度的接收信号的叠加场强不同,从而形成特定的方向图。经典方向图综合方法适用于以下几种情况:(1)仅给定预期方向图的主瓣宽度和副瓣电平。(2)给定预期方向图形状和可接受的误差范围,误差指标可能是均方误差、最大误差等。(3)给定预期方向图和已知方向图,要求通过微调参数使得已知方向图逼近预期方向图(微扰法)。经典方向图综合方法有:伍德沃德综合法、切比雪夫综合法、泰勒综合法、傅立叶变换法、微扰法、加权最小二乘法等。例如:伍德沃德-劳森(Woodward-Lawson)综合法先对预期方向图在离散位置上抽样,分为连续线源天线和离散线阵两种情况。主要缺陷:1)不适用。由于是要对空间目标进行测向、定位和跟踪,决定了是以发送方向图和接收方向图为导向,往往割裂处理,并且有预期的方向图作为波束赋形的目标。而对于通信而言,目标完全不同,要实现传输信号增益最大化,发射机、信道和接收机三者是综合考虑的,而且没有预定的方向图可用。2)而且,采样方法不一定会实现对预期方向图很好的逼近。b).基于随机算法的方向图综合技术;与基于采样的经典方向图综合方法不同的是,这种技术采用随机算法(例如:遗传算法)和逐层规划的思路得到符合任意空间区域方向性增益覆盖要求的结果,即预定方向图。将遗传算法与BFGS算法结合形成混合遗传算法,降低搜索空间、减少计算量、提高收敛速度。可以解决某些特殊的预期方向图(比如:卫星下的球面覆盖方向图)的实现问题。主要缺陷:1)不适用,不仅因为没有预期的方向图可用,而且,对于发射机在搜索过程中得到的任意一个解,接收机也需要搜索出一个较好的对应解,而对于搜索过程中的每一个临时解都需要收发双方进行信号传输来验证其增益。所需的导频通信资源开销巨大,会造成严重时延。c).基于码本的波束赋形技术;目前三大国际标准ECMA387、IEEE802.15.3c和IEEE802.11ad皆采用了基于码本的波束赋形技术来弥补通信链路之间的高路径损耗。在已定义好的波束码本中,从扇区到波束再到精细波束,逐级进行波束训练,直到收发双发均确定了最优匹配的波束码本为止。主要缺陷:难以实现最优波束赋形。由于波束码本是预先定义好的,因此,收发双发所能采用的波束赋形矢量只能在码本中选取,即所形成的波束只有有限种选择,无法保证找到的波束赋形矢量是针对当前信道的最优波束赋形矢量。d).基于信道矩阵SVD分解的波束赋形技术;在获取当前信道状态信息(CSI)之后,可以对信道矩阵进行奇异值分解(SVD),得到发射机和接收机的最优波束赋形矢量,在排除噪声干扰下,可实现最优波束赋形。主要缺陷:1)当天线数比较多时(比如:MassiveMIMO),信道矩阵要完全估计出来要占用很大的时延开销,而且在时变信道本文档来自技高网...
毫米波通信链路多波束赋形方法及装置

【技术保护点】
一种毫米波通信链路多波束赋形方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)根据导频对信道协方差矩阵进行估计;(2)根据信道协方差矩阵估计将信道矩阵奇异矢量的估计作为发射机和接收机波束赋形矢量,得到波束赋形增益。

【技术特征摘要】
1.一种毫米波通信链路多波束赋形方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)根据导频对信道协方差矩阵进行估计;(2)根据信道协方差矩阵估计将信道矩阵奇异矢量的估计作为发射机和接收机波束赋形矢量,得到波束赋形增益。2.根据权利要求1所述的毫米波通信链路多波束赋形方法,其特征在于,所述步骤(1)采用随机矢量往返收发的方法进行信道协方差矩阵估计。3.根据权利要求2所述的毫米波通信链路多波束赋形方法,其特征在于,所述步骤(1)具体为:在第i个导频码元持续时间内,选取随机矢量作为发送波束赋形矢量,波束赋形矢量从发送端到接收端共轭归一化之后将得到的列矢量pi再发回发送端,发送端根据列矢量pi得到一个的矩阵;再选取随机矢量进行发送,得到一个的矩阵,重复N次后将所有的的矩阵累加然后取平均,再减去发送端的噪声协方差矩阵估计即可得到信道协方差矩阵估计。4.根据权利要求1所述的毫米波通信链路多波束赋形方法,其特征在于,所述步骤(2)采用基带连乘并归一化方法得到低复杂度波束赋形矢量估计。5.根据权利要求1所述的毫米波通信链路多波束赋形方法,其特征在于,所述步骤(2)具体为:对于发射机的波束赋形矢量而言,在基带采用一个初始的复单位列矢量,不断右乘信道协方差矩阵估计,经过n次迭代后,再进行共轭归一化处理得到发送波束赋形矢量;对于接收机的...

【专利技术属性】
技术研发人员:周志刚谢振山李世东李茂王涛
申请(专利权)人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所
类型:发明
国别省市:上海,31

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1