多天线系统中高功效波束成形方法、装置及设备制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种多天线系统中高功效波束成形方法、装置及设备，该方法首先对波束成形设计进行数学建模，构造最小化主瓣内波动的波束成形优化问题，该优化问题包括功率约束和波动约束，即指定每根天线的发送功率的取值范围，并且主瓣与旁瓣内的波动均很小；然后松弛功率约束条件，构造若干每天线功放功率的上界和下界，将原始优化问题转换成新的优化问题并迭代求解得到最优解；最后，将松弛功率约束的优化问题的最优解作为求解稳定解的初始迭代点，迭代求解获得数字波束成形矢量。本发明专利技术设计的波束峰均比非常小，功率放大器的效率很高。设计的波束主瓣与旁瓣的波动很小且过渡带很窄，即使对于量化精度很低的相移器，性能损失也较小。

【技术实现步骤摘要】
多天线系统中高功效波束成形方法、装置及设备
本专利技术属于无线通信与雷达
，涉及到发送/接收端使用大规划天线阵列的无线通信与雷达系统，具体涉及一种多天线系统中高功效波束成形方法、装置及设备。
技术介绍
随着无线通信技术的不断发展，高速数据业务以及无处不在的接入需求正呈现出一种爆炸式的增长。下一代5G移动通信技术，对容量、能耗和带宽的需求将越来越高。通过在发送端或接收端使用(大规模)多天线阵列，采用简单的信号处理技术即可以极大地提高通信系统的频谱效率，因此多天线阵列在通信系统中具有非常重要的意义。对于毫米波通信，为了利用天线阵列增益补偿大的路径损失，大规模多天线阵列更是必不可少的。多天线阵列不仅对通信系统具有重要的意义，对于雷达系统也非常重要，因为采用更多的天线能够进一步提高空间分辨率、更好地抑制干扰等。多天线阵列可以有效地提高系统的性能，但是也相应地增加了系统设计的困难，对相关硬件提出了更高的要求。以毫米波通信为例，与传统微波频段相比，由于毫米波信号的频率较高路径损耗更大，因此通信距离与覆盖范围十分有限。需要通过大规模天线阵列提供的阵列增益补偿路径损失，并通过采用数字-模拟混合波束成形及空分复用技术，进一步提高系统传输速率和传输质量。在通信与雷达系统中，波束成形设计起到了中心作用，信道估计、高分辨率波达方向估计、阵列增益获取、干扰抑制以及多用户通信(比如预编码)等，均依赖于高效的波束成形设计。因此，无论在工业界还是学术界，波束设计引起了极大的关注，获得了广泛而深入的研究。尽管波束成形设计获得了深入的研究，已经提出了各种各样的波束成形设计方法，并且取得了较好的性能，但是若干极其重要的问题仍然没有得到切实的解决。首先，尽管通过波束方向图逼近技术可以获得非常好的波束性能，比如主瓣与旁瓣内的波动很小、过渡带非常窄以及可以获得一致的波束对齐性能。但是不同天线的发送功率差异或峰均比(PAPR)可能很大，因而需要功率放大器的动态范围很大，从而对硬件提出了很高的要求。不仅如此，功率放大器的动态范围大，意味着功放的功率效率很低。其次，对于毫米波系统完全在数字域进行预编码非常困难，因此通常基于数字-模拟混合结构进行模拟-数字混合预编码，模拟预编码通过相移器实现。现行的波束成形设计方法先按照给定指标或要求设计数字波束，在假定相位旋转器具有无限分辨率的条件下执行数字-模拟混合映射(即将设计的数字波束形成向量映射成模拟预编码矩阵与数字预编码向量)，并采用最近距离量化方法量化每个相移器。但是，实际的相位旋转器的量化精度是有限的，使用现有的波束设计算法，设计的波束对应的各个天线的发送功率差异很大，当量化比特数较小时(比如4比特)，采用传统的最近距离量化方法时，波束性能的退化非常严重。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术目的在于提供一种多天线系统中高功效波束成形方法、装置及设备，有效降低不同天线发送功率的峰均比，提高功率放大器的功放效率。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：多天线系统中高功效波束成形方法，包括如下步骤：(1)对波束成形设计进行数学建模得到相应的优化问题，所述优化问题包括两组约束条件，第一组约束条件为每根天线的发送功率在指定取值范围内，第二组约束条件为主瓣与旁瓣内的波动在指定取值范围内，所述优化问题的优化目标为最小化主瓣与旁瓣内的波动，并获得相应的波束成形矢量；(2)松弛第一组约束条件，构造若干各天线功放功率的上界和下界，将原始优化问题转换成若干松弛功率约束后的新的优化问题并迭代求解得到各优化问题的最优解；其中求解的前一个优化问题的最优解作为后一个优化问题的初始迭代点，后一个优化问题比前一个优化问题的功率约束条件更接近原始优化问题的功率约束条件；(3)将步骤(2)中获得的最后一个优化问题的最优解作为初始迭代点，迭代求解获得原始优化问题的稳定解。作为优选实施方案，若步骤(3)中的优化问题不可行或者对获得的稳定解不满意，则返回步骤(2)构造更多的上界和下界，构造并求解各优化问题从而得到新的用于步骤(3)中求解原始优化问题稳定解的初始迭代点。作为优选实施方案，所述步骤(2)中包括：(2.1)使用第一类功率约束条件替换原始优化问题的第一组约束条件，求解优化问题得到最优解，所述第一类功率约束条件为波束成形矢量的模值不超过指定常数；(2.2)构造若干各天线功放功率的上界/下界以及对应的若干第二类功率约束条件，使用第二类功率约束条件替换原始优化问题的第一组约束条件，依次构造并求解各优化问题，并将前一个优化问题的最优解作为后一个优化问题求解的初始迭代点，求解第一个优化问题的初始迭代点为步骤(2.1)中获得的最优解；(2.3)构造若干各天线功放功率的下界/上界以及对应的若干第三类功率约束条件，使用第三类功率约束条件替换原始优化问题的第一组约束条件，得到若干对应的优化问题，依次构造并求解各优化问题，并将前一个优化问题的最优解作为求解后一个优化问题的初始迭代点，求解第一个优化问题的初始迭代点为步骤(2.2)中最后一个优化问题的最优解。作为优选实施方案，所述步骤(2)中包括：(2.1)使用第一类功率约束条件替换原始优化问题的第一组约束条件，求解优化问题得到最优解，所述第一类功率约束条件为波束成形矢量的模值不超过指定常数；(2.2)构造若干各天线功放功率的上界和下界以及对应的若干第四类功率约束条件，使用第四类功率约束条件替换原始优化问题的第一组约束条件，依次构造并求解各优化问题，并将前一个优化问题的最优解作为后一个优化问题求解的初始迭代点，求解第一个优化问题的初始迭代点为步骤(2.1)中获得的最优解。作为优选实施方案，所述第一类功率约束条件中的常数取值满足其中ci(i＝1,2,...,N)为第i根天线的归一化发射功率，δi＞0为相应的鲁棒性控制参数，N为阵列天线数。作为优选实施方案，构造的各天线功放功率的上界按照如下规则给定：uk(i)＝ci+δi+(||x*||∞-ci-δi)(L-1-k)/(L-1),(k＝0,1,...,L-1)其中，uk(i)为第i根天线的功放功率上界，L＞0为构造的每根天线功放功率上界的数量，x*为步骤(2.1)获得的最优解。作为优选实施方案，构造的每功放功率的下界按照如下规则给定：vk(i)＝(ci-δi)k/M,(k＝0,1,…,M-1).其中，vk(i)为第i根天线的功放功率下界，M＞0为构造的每根天线功放功率下界的数量，其余参数的意义同上。作为优选实施方案，在获得原始优化问题的波束成形矢量的稳定解之后，还包括：对获得的数字波束成形矢量进行数字-模拟混合映射，计算模拟预编码矩阵和数字基带预编码向量，并使用最小距离量化准则对每个相移器进行量化。实现上述多天线系统中高功效波束成形方法的多天线系统中高功效波束成形装置，包括：模型初始化模块，用于对波束成形设计进行数学建模得到相应的优化问题，所述优化问题包括两组约束条件，第一组约束条件为每根天线的发送功率在指定取值范围内，第二组约束条件为主瓣与旁瓣内的波动在指定取值范围内，所述优化问题的优化目标为最小化主瓣与旁瓣内的波动，并获得相应的波束成形矢量；初始迭代点求解模块，用于松弛第一组约束条件，构造若干各天线功放功率的上界本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多天线系统中高功效波束成形方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)对波束成形设计进行数学建模得到相应的优化问题，所述优化问题包括两组约束条件，第一组约束条件为每根天线的发送功率在指定取值范围内，第二组约束条件为主瓣与旁瓣内的波动在指定取值范围内，所述优化问题的优化目标为最小化主瓣与旁瓣内的波动，并获得相应的波束成形矢量；(2)松弛第一组约束条件，构造若干各天线功放功率的上界和下界，将原始优化问题转换成若干松弛功率约束后的新的优化问题并迭代求解得到各优化问题的最优解；其中求解的前一个优化问题的最优解作为后一个优化问题的初始迭代点，后一个优化问题比前一个优化问题的功率约束条件更接近原始优化问题的功率约束条件；(3)将步骤(2)中获得的最后一个优化问题的最优解作为初始迭代点，迭代求解获得原始优化问题的稳定解。

【技术特征摘要】
1.多天线系统中高功效波束成形方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)对波束成形设计进行数学建模得到相应的优化问题，所述优化问题包括两组约束条件，第一组约束条件为每根天线的发送功率在指定取值范围内，第二组约束条件为主瓣与旁瓣内的波动在指定取值范围内，所述优化问题的优化目标为最小化主瓣与旁瓣内的波动，并获得相应的波束成形矢量；(2)松弛第一组约束条件，构造若干各天线功放功率的上界和下界，将原始优化问题转换成若干松弛功率约束后的新的优化问题并迭代求解得到各优化问题的最优解；其中求解的前一个优化问题的最优解作为后一个优化问题的初始迭代点，后一个优化问题比前一个优化问题的功率约束条件更接近原始优化问题的功率约束条件；(3)将步骤(2)中获得的最后一个优化问题的最优解作为初始迭代点，迭代求解获得原始优化问题的稳定解。2.根据权利要求1所述的多天线系统中高功效波束成形方法，其特征在于，还包括：若步骤(3)中的优化问题不可行或者对获得的稳定解不满意，则返回步骤(2)构造更多的上界和下界，构造并求解各优化问题从而得到新的用于步骤(3)中求解原始优化问题稳定解的初始迭代点。3.根据权利要求1所述的多天线系统中高功效波束成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中包括：(2.1)使用第一类功率约束条件替换原始优化问题的第一组约束条件，求解优化问题得到最优解，所述第一类功率约束条件为波束成形矢量的模值不超过指定常数；(2.2)构造若干各天线功放功率的上界/下界以及对应的若干第二类功率约束条件，使用第二类功率约束条件替换原始优化问题的第一组约束条件，依次构造并求解各优化问题，并将前一个优化问题的最优解作为后一个优化问题求解的初始迭代点，求解第一个优化问题的初始迭代点为步骤(2.1)中获得的最优解；(2.3)构造若干各天线功放功率的下界/上界以及对应的若干第三类功率约束条件，使用第三类功率约束条件替换原始优化问题的第一组约束条件，得到若干对应的优化问题，依次构造并求解各优化问题，并将前一个优化问题的最优解作为求解后一个优化问题的初始迭代点，求解第一个优化问题的初始迭代点为步骤(2.2)中最后一个优化问题的最优解。4.根据权利要求1所述的多天线系统中高功效波束成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中包括：(2.1)使用第一类功率约束条件替换原始优化问题的第一组约束条件，求解优化问题得到最优解，所述第一类功率约束条件为波束成形矢量的模值不超过指定常数；(2.2)构造若干各天线功放功率的上界和下界以及对应的若干第四类功率约束条件，使用第四类功率约束条件替换原始优化问题的第一组约束条件，依次构造并求解各优化问题，并将前一个优化问题的最优解作为后一个优化问题求解的初始迭代点，求解第一个优化问题的初始迭代点为步骤(2.1)中获...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永明，章建军，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32