一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法技术

一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法，首先，将天线互耦效应作为天线的影响重要参数，获得互耦效应对信道的干扰矩阵；接着，计算考虑接受两端互耦效应下的毫米波阵列的等效信道模型；然后，针对这一信道模型计算了理想的发射端波束预编码向量；最后，基于理想预编码向量采用OMP算法获得了最优的混合预编码方法。本发明专利技术基于混合波束预编码系统，能够有效抑制阵元互耦效应造成的波束畸变现象。

【技术实现步骤摘要】
一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法
本专利技术涉及通信信息系统领域，具体涉及一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法。
技术介绍
毫米波通信作为一种新兴的通信技术被广泛关注和研究，与传统无线通信技术相比，毫米波通信具有丰富的频谱资源，为实现千兆传输速率创造了条件。但是，由于超高的通信频段，毫米波无线通信面临着传播损耗高的问题。为了弥补传播损耗，毫米波通信利用在较小天线模块上形成大规模阵列天线，以实现波束赋形，从而提高天线的方向性和增益，改善链路质量。近年来，模数混合的波束成形系统引起了研究者的注意。一方面，模拟波束成形系统会面临恒定幅度限制和较低相位控制分辨率的问题，而纯数字系统对于元器件的消耗较多且复杂度大大增加，不利于实际运用。针对这一问题，模数混合的波束成形系统可以在不消耗大量元器件的情况下得到最优的波束效果。在这一过程中，根据阵元相关性和信道特性所得到的无限制理想波束预编码矩阵被首先计算得到，再根据系统中有限的RF链数量得到次优的闭式近似值，从而获得实际的波束预编码方法。然而，阵元之间除了相关性还存在其他相互影响的因素，互耦效应就是其中之一。在实际波束成形中，若不考虑到阵元之间的互耦情况，很有可能使得到的理想预编码出现误差，从而影响波束成形的效果，造成波束畸变。将互耦效应对信道所产生的影响建模并采用相应抑制互耦效应的波束预编码算法，能够有效克服这一问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、计算线阵列互耦效应对信道的干扰矩阵；步骤二、结合阵列响应，计算互耦效应下的等效信道模型；步骤三、在互耦等效信道模型的基础上，计算理想波束预编码矩阵；步骤四、根据理想波束预编码矩阵并基于混合波束成形系统得到实际的波束预编码方案。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：所述步骤一具体包括：1.1)计算不考虑互耦效应时，天线发射端的馈电点电压：其中，NBS表示发射端的天线数目，为NBS×NBS的单位阵，zs，zt分别表示负载阻抗矩阵和发射天线阵列的互阻抗矩阵，zA表示天线自阻抗矩阵，v0表示天线的开路电压矩阵，vs表示天线的激励电压矩阵；1.2)计算考虑互耦效应时，天线发射端的馈电点电压：1.3)根据步骤1.1、步骤1.2以及关系式计算发射端天线的互耦矩阵：同理，计算接收端阵列的互耦矩阵Gr。所述步骤二具体包括：2.1)计算收发两端均采用毫米波阵列下的通信信道模型：其中，K为莱斯因子，ai是满足高斯分布的复信道增益，0≤i≤L，L表示NLOS信道的个数，变量θi∈[-π，π]和φi∈[-π，π]分别表示不同信道的信号发射角，NBS和NMS分别表示发射端与接收端的天线数目，dBS(θi)和dMS(φi)分别表示发射角和接收角的归一化阵列响应向量；对于NBS个阵元的均匀线阵，归一化阵列响应表示为：同样，接收端归一化阵列响应表示为：其中，λc表示光的波长，[]T表示矩阵的转置变换，C表示矩阵；2.2)计算天线互耦效应下的等效信道模型：其中，[]*表示矩阵的共轭转置变换。所述步骤三具体包括：3.1)在块衰落信道下，该波束成形系统接收信号表示为：y＝w*Hgcs+w*n其中，y表示接收信号；s表示传输符号，满足其中E[·]表示取均值；n为均值为0、方差为σ2的加性高斯白噪声；c表示混合波束成形系统的波束成形矢量，由模拟波束控制矩阵FRF和基带波束成形向量vBB组成；w表示接收端结合向量，可以分为模拟结合矩阵WRF和基带结合向量wBB；3.2)在步骤3.1的条件下，信号传输速率表示为：其中，ρ表示发射信噪比，Rn＝w*w表示噪声的自相关矩阵；3.3)在步骤3.2的条件下，使信号速率最佳的理想波束预编矢量copt的具体求法为：对等效信道参数矩阵Hg进行SVD分解为Hg＝U∑v*，并将矩阵∑和V定义为：其中，∑1∈C1×1，而根据毫米波信道的稀疏特性，copt表示为：copt＝(∑1v1)*。所述步骤四具体包括：4.1)对模拟波束控制矩阵FRF与残差向量Fres进行初始化，其中FRF＝[]，Fres＝copt；4.2)根据RF链的数目NRF，令n＝1∶NRF，重复步骤4.3到步骤4.6；4.3)根据构建最新残差向量Fres的值构建新向量并结合RF相移器具体分辨率进行量化操作，使fn∈Zq，zq表示相移器可能产生的所有相位集合；4.4)将FRF矩阵的值进行更新，得到FRF＝[FRFfn]；4.5)计算此时基带波束成形向量：4.6)计算残差向量：Fres＝copt-FRFvBB；4.7)结束迭代后，对基带波束成形向量进行归一化：4.8)根据最新的FRF和vBB得到最终混合波束预编码方案c＝FRFvBB。本专利技术的有益效果是：基于混合波束预编码系统，能够有效抑制阵元互耦效应造成的波束畸变现象。附图说明图1是发射端简化后的等效互耦模型图。图2是毫米波阵列混合波束成形系统结构框图。图3a是实施例中互耦效应的波束畸变图。图3b是实施例中互耦效应的传输速率图。图4是实施例中采用本专利技术中波束预编码方法后信道容量的仿真结果图。具体实施方式现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。如图1、图2所示的一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法，具体包括以下步骤：一、计算线阵列互耦效应对信道的干扰矩阵1.1)计算不考虑互耦效应时，天线发射端的馈电点电压，方法如下：其中，NBS表示发射端的天线数目，为NBS×NBS的单位阵，zs，zt分别表示负载阻抗矩阵和发射天线阵列的互阻抗矩阵，zA表示天线自阻抗矩阵，V0表示天线的开路电压矩阵，vs表示天线的激励电压矩阵。1.2)计算考虑互耦效应时，天线发射端的馈电点电压，方法如下：1.3)根据前两个步骤与关系式计算发射端天线的互耦矩阵，方法如下：根据同样的方法，接收端阵列的互耦矩阵Gr也可以求出。二、结合阵列响应，计算互耦效应下的等效信道模型2.1)计算收发两端均采用毫米波阵列下的通信信道模型，方法如下：其中，K为莱斯因子，ai是满足高斯分布的复信道增益，0≤i≤L，L表示NLOS信道的个数，变量θi∈[-π，π]和φi∈[-π，π]分别表示不同信道的信号发射角(angleofdeparture，AOD)。NBS和NMS分别表示发射端与接收端的天线数目，dBS(θi)和dMS(φi)分别表示发射角和接收角的归一化阵列响应向量，这些值与天线阵列结构有关。其中，对于NBS个阵元的均匀线阵(uniformlineararray，ULA)，归一化阵列响应可以表示为：同样，接收端归一化阵列响应可以表示为：其中，λc表示光的波长，[]T表示矩阵的转置变换，C表示矩阵。2.2)计算天线互殴效应下的等效信道模型，方法如下：其中，[]*表示矩阵的共轭转置变换。三、在互耦等效信道模型的基础上，计算理想波束预编码矩阵3.1)在块衰落信道下，该波束成形系统接收信号可以表示为：y＝w*Hgcs+w*n其中，y表示接收信号；s表示传输符号，满足其中E[·]表示取均值。n为均值为0、方差为σ2的加性高斯白噪声。c表示混合波束成形系统的波束成形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、计算线阵列互耦效应对信道的干扰矩阵；步骤二、结合阵列响应，计算互耦效应下的等效信道模型；步骤三、在互耦等效信道模型的基础上，计算理想波束预编码矩阵；步骤四、根据理想波束预编码矩阵并基于混合波束成形系统得到实际的波束预编码方案。

【技术特征摘要】
1.一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、计算线阵列互耦效应对信道的干扰矩阵；步骤二、结合阵列响应，计算互耦效应下的等效信道模型；步骤三、在互耦等效信道模型的基础上，计算理想波束预编码矩阵；步骤四、根据理想波束预编码矩阵并基于混合波束成形系统得到实际的波束预编码方案。2.如权利要求1所述的一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法，其特征在于：所述步骤一具体包括：1.1)计算不考虑互耦效应时，天线发射端的馈电点电压：其中，NBs表示发射端的天线数目，为NBs×NBS的单位阵，Zs，Zt分别表示负载阻抗矩阵和发射天线阵列的互阻抗矩阵，ZA表示天线自阻抗矩阵，V0表示天线的开路电压矩阵，VS表示天线的激励电压矩阵；1.2)计算考虑互耦效应时，天线发射端的馈电点电压：1.3)根据步骤1.1、步骤1.2以及关系式计算发射端天线的互耦矩阵：同理，计算接收端阵列的互耦矩阵Gr。3.如权利要求2所述的一种面向天线互耦效应抑制的发射端波束预编码方法，其特征在于：所述步骤二具体包括：2.1)计算收发两端均采用毫米波阵列下的通信信道模型：其中，K为莱斯因子，ai是满足高斯分布的复信道增益，0≤i≤L，L表示NLOS信道的个数，变量θi∈[-π，π]和φi∈[-π，π]分别表示不同信道的信号发射角，NBS和NMS分别表示发射端与接收端的天线数目，dBS(θi)和dMS(φi)分别表示发射角和接收角的归一化阵列响应向量；对于NBS个阵元的均匀线阵，归一化阵列响应表示为：同样，接收端归一化阵列响应表示为：其中，λc表示光的波长，[]T表示矩阵的转置变换，C表示矩阵；2.2)计算天线互耦效应下的等效信道模型：其中，[]*表示矩阵的共轭转置变换。4.如权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：仲伟志，徐磊，王磊，顾勇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32