一种毫米波MU-MISO系统的新型混合波束成形结构及设置方法技术方案

本发明专利技术提供一种毫米波MU‑MISO系统的新型混合波束成形结构及设置方法。本发明专利技术方法，包括：在基带对信号的幅度与相位进行处理的数字波束成形器、多条对信号进行变频转换的射频链以及对射频信号进行相位调制的模拟波束成形器。发送信号首先通过所述数字波束成形器在基带进行数字波束成形，再通过所述射频链进行上变频，得到的模拟信号；最后完成模拟波束成形。本发明专利技术使用低能耗的低分辨率移相器和简单的开关网络来实现动态子阵列结构，在有效降低能耗的同时，利用毫米波大规模天线及多用户的灵活分集，以补偿低分辨率移相器与固定子阵列造成的性能损失，实现系统能量效率与频谱效率的双赢。

A New Mixed Beam Forming Structure and Setting Method for Millimeter Wave MU-MISO System

【技术实现步骤摘要】
一种毫米波MU-MISO系统的新型混合波束成形结构及设置方法
本专利技术涉及无线通信
，尤其涉及一种毫米波MU-MISO系统的新型混合波束成形结构及设置方法。
技术介绍
毫米波通信因其能够提供数千兆赫兹频率带宽且具有传输速率高的显著优势，被认为是5G网络中的关键技术之一。由于在毫米波频段天线尺寸很小，可将大规模天线阵列封装在一个小区域内。这一特点使得在毫米波系统中采用大规模多天线阵列成为可能，并以此提供足够的波束成形增益来补偿毫米波信道的严重路径损耗。然而，在毫米波系统中实现大规模天线阵列的波束成形并不容易。考虑到硬件设备的成本与功耗，传统的全数字波束成形架构无法在毫米波大规模多入多出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)系统中实际使用。近几年来，模拟/数字混合波束成形已被作为应用于毫米波大规模MIMO系统中的一种兼顾系统性能与硬件效率的实用解决方案。混合波束成形架构仅使用少量的射频链来实现低维度的数字波束成形，并利用大量的移相器来实现高维度的模拟波束成形。现有研究主要考虑两种典型的混合波束成形架构：全连接结构与部分连接结构。在全连接结构中，每条射频链通过移相器连接到所有天线。虽然全连接结构能够达到接近于全数字波束成形的频谱效率，但由于使用了大量的移相器，这种结构仍具有相对高的功耗和硬件复杂度。因此，每条射频链仅连接到固定天线子阵列的部分连接结构应运而生。这种结构因显著减少了移相器的数量并进一步降低系统功耗和硬件复杂性而收到广泛关注。现有的混合波束成形设计通常假设使用连续相位或高分辨率的移相器，这需要复杂的硬件电路设计且在毫米波频段下具有较高的能量损耗。因此，除了减少移相器的数量之外，使用经济节能的低分辨率移相器来实现模拟波束成形是另一种有效的减少能耗的方案。然而，采用固定子阵列与低分辨率移相器的传统部分连接结构由于以下两个原因并不能达到令人满意的系统性能：(1)使用低分辨率移相器难以精确控制波束，因此造成性能损失；(2)固定子阵列限制了大规模天线阵列的灵活性，并进一步影响波束成形的精度。因此，寻求有效的解决方案来解决上述两个问题是一个具有重要意义的研究课题。动态连接/映射策略，即自适应地将发射天线划分成大小不一的子阵列，并与相应的射频链相接，已被证明是一种能够有效补偿固定子阵列造成的性能损失的解决方案(参见文献：ParkS,AlkhateebA,andHeathRW.DynamicsubarraysforhybridprecodingwidebandmmWaveMIMOsystems[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2017,16(5):2907-2920.)。然而，在部分连接的混合波束成形结构中，由低分辨率移相器引起的问题尚未解决。最近的研究(参见文献：LiH,LiuQ,WangZetal.Jointantennaselectionandanalogprecoderdesignwithlow-resolutionphaseshifters[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2019,68(1):967-971.)表明，可通过自适应地从大规模天线阵列中选择子阵列来增强天线分集，并有效补偿低分辨率移相器带来的精度损失。基于此，本专利技术试图充分利用大规模天线阵列的灵活分集，以提高基于低分辨率移相器的部分连接结构的性能。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种应用于毫米波MU-MISO系统的新型混合波束成形结构。本专利技术主要利用一种应用于毫米波MU-MISO系统的混合波束成形结构，包括：在基带对信号的幅度与相位进行处理的数字波束成形器、多条对信号进行变频转换的射频链以及对射频信号进行相位调制的模拟波束成形器。进一步地，发送信号首先通过所述数字波束成形器在基带进行数字波束成形，再通过所述射频链进行上变频，得到的模拟信号；最后完成模拟波束成形。所述模拟波束成形器包括：低分辨率移相器与开关网络，将每条所述射频链匹配到动态变化的非重叠的动态天线子阵列，完成对射频信号的相位调制；每个所述射频链通过所述低分辨率移相器与天线相连，所述射频链通过开关网络与天线匹配，与每一条所述射频链相连的天线构成一个天线子阵列。更进一步地，天线数量与低分辨率移相器数量相等，即每根天线均连接一个低分辨率移相器，所有的天线子阵列间相互不重叠即每根天线只与一条射频链相连，子阵列中天线位置可不连续，子阵列大小可变。进一步地，混合波束成形结构中，每条所述射频链连接的天线数多少影响波束成形增益，当每条所述射频链所选天线位置改变时，相应的移相器取值改变，波束成形增益随之改变，当天线数越多，波束成形增益越大；当天线数越小，波束成形增益越小。更进一步地，根据用户的信道状态信息调整天线子阵列与对应移相器的相位取值，根据用户信道的方向来选择天线的位置并设计对应移相器的相位，对于信道增益大的用户则天线子阵列大，反之天线子阵列小；通过多天线/多用户分集增益，可有效补偿低分辨率移相器造成的系统总速率性能损失，提高系统性能。进一步地，本专利技术还包含一种应用于毫米波MU-MISO系统的混合波束成形结构的设置方法，联合设计数字波束成形器FBB和模拟波束成形器FRF的目标方程具备如下形式：其中，hk,k＝1,...,K表示基站与第k个用户间的信道，为第k个用户信道的噪声方差，为移相器的相位取值集合，每个低分辨率移相器均有恒定的幅值和离散的相位取值，且取值分辨率由B控制，因此每个移相器的取值集合为Nt发射端的天线数；P表示发射功率。进一步地，一种应用于毫米波MU-MISO系统的混合波束成形结构的设置方法包括以下步骤：步骤S1：借鉴分式规划理论，通过引入辅助变量，将目标方程即典型多分式方程转化为如下方程：其中与均为辅助变量，且具有如下形式：步骤S2：根据所述转化方程，分别考虑目标方程中对模拟波束成形矩阵与数字波束成形矩阵的约束条件；所述约束条件为：a.低分辨率移相器幅值恒定且相位取值离散，即b.非重叠的动态子阵列分配，即(iii)发送功率限制，即迭代求解模拟波束成形矩阵。更进一步地，步骤S2具体的还包括以下步骤：S21：给定FBB，模拟波束成形矩阵FRF设计问题可转化为0/1整数规划问题，并通过凸优化工具求解。FRF表示为一个取值只有0和1的矩阵与一个已知矩阵的乘积，即式中S(i,j)＝1表示第i根天线与第条射频链相连，且对应相位值为通过这一转化，模拟波束成形矩阵的设计问题可转化为求解矩阵S的问题，并利用凸优化工具求解；S22：给定FRF，数字波束成形矩阵FBB则可通过求解无约束凸优化问题后进行简单的归一化操作来获得。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术公开的应用于毫米波MU-MISO系统的新型混合波束成形结构，创新性地采用可根据信道状态信息动态调整的子阵列及低能耗的低分辨率移相器来实现模拟波束成形，其带来的有益效果在于，使用低能耗的低分辨率移相器和简单的开关网络来实现动态子阵列结构，在有效降低能耗的同时，利用毫米波大规模天线及多用户的灵活分集，以补偿低分辨率移相器与固定子阵列造成的性能损失，实现系统能量效率与频谱效率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种毫米波MU‑MISO系统的混合波束成形结构，其特征在于，包括：在基带对信号的幅度与相位进行处理的数字波束成形器、多条对信号进行变频转换的射频链以及对射频信号进行相位调制的模拟波束成形器；发送信号首先通过所述数字波束成形器在基带进行数字波束成形，再通过所述射频链进行上变频，得到的模拟信号；最后完成模拟波束成形；所述模拟波束成形器包括：低分辨率移相器与开关网络，将每条所述射频链匹配到动态变化的非重叠的动态天线子阵列，完成对射频信号的相位调制；每个所述射频链通过所述低分辨率移相器与天线相连，所述射频链通过开关网络与天线匹配，与每一条所述射频链相连的天线构成一个天线子阵列；天线数量与低分辨率移相器数量相等，即每根天线均连接一个低分辨率移相器，所有的天线子阵列间相互不重叠即每根天线只与一条射频链相连，子阵列中天线位置可不连续，子阵列大小可变。

【技术特征摘要】
1.一种毫米波MU-MISO系统的混合波束成形结构，其特征在于，包括：在基带对信号的幅度与相位进行处理的数字波束成形器、多条对信号进行变频转换的射频链以及对射频信号进行相位调制的模拟波束成形器；发送信号首先通过所述数字波束成形器在基带进行数字波束成形，再通过所述射频链进行上变频，得到的模拟信号；最后完成模拟波束成形；所述模拟波束成形器包括：低分辨率移相器与开关网络，将每条所述射频链匹配到动态变化的非重叠的动态天线子阵列，完成对射频信号的相位调制；每个所述射频链通过所述低分辨率移相器与天线相连，所述射频链通过开关网络与天线匹配，与每一条所述射频链相连的天线构成一个天线子阵列；天线数量与低分辨率移相器数量相等，即每根天线均连接一个低分辨率移相器，所有的天线子阵列间相互不重叠即每根天线只与一条射频链相连，子阵列中天线位置可不连续，子阵列大小可变。2.根据权利要求1中的一种毫米波MU-MISO系统的混合波束成形结构，其特征还在于：混合波束成形结构中，每条所述射频链连接的天线数多少影响波束成形增益，当每条所述射频链所选天线位置改变时，相应的移相器取值改变，波束成形增益随之改变，当天线数越多，波束成形增益越大；当天线数越小，波束成形增益越小；根据用户的信道状态信息调整天线子阵列与对应移相器的相位取值，根据用户信道的方向来选择天线的位置并设计对应移相器的相位，对于信道增益大的用户则天线子阵列大，反之天线子阵列小；通过多天线/多用户分集增益，可有效补偿低分辨率移相器造成的系统总速率性能损失，提高系统性能。3.应用权利要求1-2中所述的混合波束成形结构的一种应用于毫米波MU-M...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明，李宏宇，刘倩，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21