面向波束成形系统的数字预失真结构及其控制方法技术方案

本发明专利技术提出一种面向波束成形系统的数字预失真结构及其控制方法，包括：将输入的原始信号x(n)依次经过预失真器、DAC、上变频模块、移相器和功率放大器后，由天线阵列发射出去；反馈通道分时采集每路功率放大器的输出信号yp(n)；根据yp(n)，采用波束成形算法合成主波束方向的等效远场信号y(n)；采用间接学习结构或直接学习结构，利用y(n)和x(n)进行DPD训练，更新预失真器的系数；将生成的DPD信号输入系统，经过发射通道后，将发射出去的信号作为实现了主波束方向线性化的信号。本发明专利技术能够大大简化发射机结构，降低计算能耗，实现了主波束方向信号的线性化，在每路功放非线性特性差别较大时也能实现很好的非线性性能。

【技术实现步骤摘要】
面向波束成形系统的数字预失真结构及其控制方法
本专利技术涉及移动通信
，特别涉及一种面向波束成形系统的数字预失真结构及其控制方法。
技术介绍
随着通信技术的进步，5G作为第五代无线移动通信网络已经在全世界范围展开重点研发，并将逐步替代4G网络。在5G通信系统中，大规模MIMO(MassiveMIMO)技术将得到广泛应用。大规模MIMO技术的概念由贝尔实验室的TomasL.Marzetta在2010年提出，是指在传统MIMO技术的基础上，将基站配置的天线数量提高到数十甚至数百根以保证基站天线数量大于小区内移动台用户数量，使得同一时频资源可以通过空间复用技术服务多个用户，提高频谱效率。通常情况下，大规模MIMO技术需要和波束成形技术配合使用。大规模MIMO技术的优势在于同时提高了通信效率和可靠性：一方面，应用大规模MIMO技术的无线通信系统的容量和覆盖范围大幅提高，频谱效率和功率效率也比4G系统提升了一个量级；另一方面，大规模MIMO技术可以实现更精确的波束成形，从而进一步抑制通信干扰，提高传输可靠性。正是由于具有以上明显的优势，大规模MIMO技术一经提出就受到了业界的广泛关注，成为最有潜力的5G核心技术之一。无论是传统MIMO系统还是大规模MIMO系统，都需要为每根天线配置单独的射频链路，这意味着射频功放的数量和天线数量是相等的，因此在5G大规模MIMO系统中射频功放的数量也将达到数十甚至数百个。功放是发射机中最耗能的设备，它的效率决定了整个系统的能耗和成本，大规模MIMO系统中功放配置更加密集，必须使用高效率的功放以降低系统的耗电量和运营成本。为了提高功放效率，需要使功放工作在饱和区，或者采用Doherty结构、包络跟踪技术、LINC技术等效率增强技术，而这些技术往往都是以牺牲线性度为代价实现的。低线性度的功放将使信号产生严重的带内和带外失真。对于带内信号，功放的非线性将导致星座图畸变或旋转，恶化信号的误差矢量幅度(EVM)，提高接收机的解调误码率，从而影响通信质量。此外，功放的非线性会引起带外频谱扩展，使得发射信号的相邻信道功率比(ACPR)恶化，对邻近频段的信号造成了干扰，影响邻近频段用户的正常通信。针对功放效率和线性化的矛盾，业界普遍的解决方案是针对功放的非线性特性，采用额外的线性化技术以达到同时优化效率和线性度的目的。在众多线性化技术中，数字预失真技术以其结构简单、性能稳定、自适应能力强、低成本、低功耗的优势，成为通信系统中最常用的线性化技术，并且在3G、4G通信系统中得到了很好的线性化效果。传统数字预失真技术需要为每一个功放配置单独的预失真器和高性能反馈通道。传统MIMO系统的天线和功放数量较少，为每个功放单独配置预失真器和反馈通道的方案还能够实行，然而随着天线阵列规模的扩大，传统数字预失真方法的臃肿结构会大大增加发射机体积和能耗，与5G技术低能耗、小型化的主题相违背。同时，为了最大限度的降低能源消耗和网络运用成本，5G移动通信会对网络资源进行实时动态的调整，大规模MIMO天线阵列会根据发射信号的功率大小，实时动态的控制开启射频功放和天线的数量，这将给系统引入更强的非线性效应。这些对大规模MIMO系统的数字预失真研究提出了更高的要求。传统MIMO发射机的数字预失真结构如图1(a)和图1(b)所示，两种结构的发射通道基本相同，区别在于反馈通道。图1(a)所示的预失真结构为每个功放单独配置一条反馈通道和预失真器，多条反馈通道可同时工作，采集各功放的输出信号，计算预失真模型系数。图1(b)所示的预失真结构仅包含一条反馈通道，工作时需要分时采集各路功放的输出信号，再分别计算每个功放的预失真系数，因此具有一定的延时性。从结构上看，图1(b)所示的共享反馈通道结构较简单，而从能耗上看，由于两种结构都是基于对每个功放实现线性化，计算量相同，能耗差别不大。对每路功放分别进行预失真线性化处理的方案，虽然能够有效实现阵列发射信号的线性化，但结构复杂能耗较大，在大规模MIMO系统中已不再适用。波束成形系统，由于其不同的发射构架，为简化数字预失真结构带来了可能性。2015年，韩国科学技术学院的SangilLee，研究了针对子阵列天线组成的混合MIMO系统波束成形器的数字预失真方法，涉及的具体结构如图2所示。在这种的混合MIMO系统中，一个天线阵被分成若干个子阵，每一个子阵只有一个数据流从数字MIMO处理器进入模拟波束成型器，每一个功放的输入是他的数据流乘以一个波束成形系数。该方案采用直接学习方法，为每一个子阵设计一个自适应数字预失真器和反馈通道，从而能够大大简化发射机结构，降低计算能耗。为了自适应的调整DPD参数，采用最小均方—牛顿算法，表现出良好收敛特性。该方法通过计算机仿真进行了验证，有很好的线性化性能。由于该方案的线性化对象为子阵中所有功放，因此当子阵中功放的非线性特性差别较大时，该方案的预失真线性化性能会变差，甚至出现无法矫正的情况。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决上述技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种面向波束成形系统的数字预失真结构及其控制方法，该方法能够大大简化发射机结构，降低计算能耗，实现了主波束方向信号的线性化，在每路功放非线性特性差别较大时也能实现很好的非线性性能。为了实现上述目的，本专利技术的实施例提出了一种面向波束成形系统的数字预失真结构及其控制方法，所述面向波束成形系统的数字预失真结构包括：依次相连的预失真器、DAC模块、上变频模块、移相器、多个功率放大器、与多个功率放大器相对应的天线阵列、接收天线、下变频模块、滤波器、ADC模块、合成等效远场信号模块和DPD训练模块，其中，所述合成等效远场信号模块用于根据天线阵的方向性将采集到的各路功放输出信号合成主波束方向的信号，所述方法包括：S1：将输入的原始信号x(n)依次经过预失真器、DAC模块、上变频模块、移相器和功率放大器后，由天线阵列发射出去；S2：反馈通道分时采集每路功率放大器的输出信号yp(n)，并进行存储；S3：根据每路功率放大器的输出信号yp(n)，采用波束成形算法合成主波束方向的等效远场信号y(n)；S4：采用间接学习结构或直接学习结构，利用合成的等效远场信号y(n)和输入的原始信号x(n)进行DPD训练，更新预失真器的系数；S5：将生成的DPD信号输入系统，经过发射通道后，将发射出去的信号作为实现了主波束方向线性化的信号。另外，根据本专利技术上述实施例的面向波束成形系统的数字预失真结构及其控制方法还可以具有如下附加的技术特征：在一些示例中，在所述S2中，所述yp(n)可通过如下式(1)表示：其中，xp(n)和yp(n)分别表示第p路功率放大器的输入信号和输出信号，K和M分别表示记忆多项式模型的非线性阶数和记忆深度。在一些示例中，所述输入的原始信号x(n)经过移相器后生成相位间隔为α的p路等幅度等相位间隔输出信号。在一些示例中，在所述S1中，还包括：设移相器的第一路输出信号为x(n)，则移相器的第p路输出信号可以通过如下式(2)表示：xp(n)＝x(n)·ej(p-1)α,p＝1,2,…,P(2)。在一些示例中，还包括：将所述式(2)带入所述式(1)中，得到以第一路信号为参考的第p路功率放大器的输出信号，具体通过下式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向波束成形系统的数字预失真结构及其控制方法，其特征在于，所述面向波束成形系统的数字预失真结构包括：依次相连的预失真器、DAC模块、上变频模块、移相器、多个功率放大器、与多个功率放大器相对应的天线阵列、接收天线、下变频模块、滤波器、ADC模块、合成等效远场信号模块和DPD训练模块，其中，所述合成等效远场信号模块用于根据天线阵的方向性将采集到的各路功放输出信号合成主波束方向的信号，所述方法包括：S1：将输入的原始信号x(n)依次经过预失真器、DAC模块、上变频模块、移相器和功率放大器后，由天线阵列发射出去；S2：反馈通道分时采集每路功率放大器的输出信号yp(n)，并进行存储；S3：根据每路功率放大器的输出信号yp(n)，采用波束成形算法合成主波束方向的等效远场信号y(n)；S4：采用间接学习结构或直接学习结构，利用合成的等效远场信号y(n)和输入的原始信号x(n)进行DPD训练，更新预失真器的系数；S5：将生成的DPD信号输入系统，经过发射通道后，将发射出去的信号作为实现了主波束方向线性化的信号。

【技术特征摘要】
1.一种面向波束成形系统的数字预失真结构及其控制方法，其特征在于，所述面向波束成形系统的数字预失真结构包括：依次相连的预失真器、DAC模块、上变频模块、移相器、多个功率放大器、与多个功率放大器相对应的天线阵列、接收天线、下变频模块、滤波器、ADC模块、合成等效远场信号模块和DPD训练模块，其中，所述合成等效远场信号模块用于根据天线阵的方向性将采集到的各路功放输出信号合成主波束方向的信号，所述方法包括：S1：将输入的原始信号x(n)依次经过预失真器、DAC模块、上变频模块、移相器和功率放大器后，由天线阵列发射出去；S2：反馈通道分时采集每路功率放大器的输出信号yp(n)，并进行存储；S3：根据每路功率放大器的输出信号yp(n)，采用波束成形算法合成主波束方向的等效远场信号y(n)；S4：采用间接学习结构或直接学习结构，利用合成的等效远场信号y(n)和输入的原始信号x(n)进行DPD训练，更新预失真器的系数；S5：将生成的DPD信号输入系统，经过发射通道后，将发射出去的信号作为实现了主波束方向线性化的信号。2.根据权利要求1所述的面向波束成形系统的数字预失真结构及其控制方法，其特征在于，在所述S2中，所述yp(n)可通过如下式(1)表示：其中，xp(n)和yp(n)分别表示第p路功率放大器的输入信号和输出信号，K和M分别表示记忆多项式模型的非线性阶数和记忆深度。3.根据权利要求2所述的面向波束成形系统的数字预失真结构及其控制方法，其特征在于，所述输入的原始信号x(n)经过移相器后生成相位间隔为α的p路等幅度等相位间隔输出信号。4.根据权利要求3所述的面向波束成形系统的数字预失真结构及其控制方法，其特征在于，在所述S1中，还包括：设移相器的第一路输出信号为x(n)，则移相器的第p路输出信号可以通过如下式(2)表示：xp(n)＝x(n)·ej(p-1)α,p＝1,2,…,P(2)。5.根据权利要求4所述的面向波束成形系统的数字预失真结构及其控制方法，其特征在于，还包括：将所述式(2)带入所述式(1)中，得到以第一路信号为参考的第p路功率放大器的输出信号，具体通过下式(3)表示：6.根据权利要求5所述的面向波束...

【专利技术属性】
技术研发人员：张千，陈文华，刘昕，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11