一种用于大规模MIMO波束形成的不规则拼接子阵架构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于不规则拼接子阵架构的MIMO通信系统，可以用于全数字波束成形和混合数字波束成形。每一条射频链路通过一个功分器连接两个相邻的天线单元，可以大幅减少射频链路的数量。在设计过程中，首先以MIMO信道容量为优化目标优化不规则子阵阵列排布，得到最优的阵列拓扑结构后，再以频谱效率最大化为目标设计预编码和解码矢量。本发明专利技术最大的创新性在于，在射频链路的数目不变的情况下，不规则子阵架构通过增大天线阵列的口径面积提高MIMO信道容量，最终实现频谱效率的提高。

【技术实现步骤摘要】
一种用于大规模MIMO波束形成的不规则拼接子阵架构
本专利技术属于无线通信领域，涉及到不规则子阵排列的优化方法，提出了一种用于全数字波束成形和数字模拟混合波束成形的低成本MIMO通信架构，在大幅减少射频链路的情况下，实现MIMO系统的高信道容量和高信噪比特性。
技术介绍
大规模MIMO系统能够实现高传输速率和高信噪比，在第五代移动通信系统中得到了广泛的应用，但同时由于每一个天线单元都需要连接一个射频链路，大大增加MIMO系统的制造成本，同时射频链路中的高精度模数/数模转换器(ADC/DAC)在毫米波频段功耗巨大。当前在分集增益已逼近极限的情况下，增大MIMO的信道增益成为提高通信系统传输速率的一个主要手段。近年来，非均匀阵列成为提高MIMO信道增益的一种方法，CN107004955A通过将MIMO天线中的阵列单元进行非均匀排布，使得天线的口径增益增大，最终实现MIMO基站覆盖区域的扩大。但是，由于阵列单元的非均匀排布使得阵元间互耦的影响难以预计，在设计天线阵列时难度较大，最终导致MIMO传输速率的效果并不明显。专利号为CN108808266A提出了一种不规则拼接的方法进行阵列布阵，可以实现天线的高增益特性，但是其优化算法主要优化的是天线的副瓣和增益指标，并没有考虑在系统层面的传输速率、信噪比等指标。
技术实现思路
鉴于上述技术背景，本专利技术提出了一种基于不规则拼接子阵的MIMO阵排布优化方法，目的在于相比于已经存在的优化技术，本专利技术的优化目标主要基于系统层面的传输速率、信噪比等指标的提高本专利技术具有以下内容：专利号为CN108808266A已经提到可以采用通过优化阵列信息熵来实现降低不规则子阵扫描时的栅瓣，但是没有考虑到MIMO系统传输速率的问题。对于MIMO系统的传输速率，除了与阵列排布的单元位置有关，还与MIMO系统的预编码和解码相关。由于预编码矢量和解码矢量涉及到复杂的波束成形算法，因此需要将预编码矢量和解码矢量与阵列排布变量分别进行设计，因此本专利提出的优化方法分为两步，第一步通过基于遗传算法的整数规划模型对阵列排布变量进行优化，以信道容量最大化为优化目标，第二步根据已经得到的阵列排布，利用现有的波束成形算法对预编码矢量和组合接收矢量进行优化，最终实现传输速率的最大化。根据不同的应用场景，本专利分别提出了基于不规则拼接子阵的全数字波束成形架构(如图1所示)和基于不规则拼接子阵的混合波束成形架构(如图2所示)。如图1所示，每一个射频链路通过一个功分器连接两个相邻的天线单元(如图3所示)，相比与传统的全数字波束成形架构，基于不规则拼接子阵的全数字波束成形架构减少了一半的射频链路数量。对于混合波束成形架构也类似，每一个模拟移相器通过一个功分器连接两个天线，因此相比于传统的混合波束成形架构，基于不规则拼接子阵的混合波束成形架构也减少了一半的射频链路数量。考虑一个点对点的MIMO通信系统，基站配置Nt个天线单元组成的面阵，发送Ns路独立数据流，用户侧配置Nr个天线单元组成的面阵，假设基站已知其与用户间的信道矩阵为其中Ncl为散射簇数目，Nray为每个散射簇的散射与反射径数，αij为第i簇中第j径的路径增益，为归一化发射端信道响应向量，其表达式为其中d为天线阵元间距，λ为载波波长，和分别为第i簇中第j径信号的出发角的下倾角和水平方位角。为归一化接收端信道响应向量，表达式为其中d为天线阵元间距，λ为载波波长，和分别为第i簇中第j径信号的到达角的下倾角和水平方位角。对于传统的全数字MIMO系统来说，用户端接收到的经过解码后的信号y为其中n为独立同分布的噪声矢量，s为Ns维的传输信号，FBB是一个Nt×Ns维的数字域预编码矢量，FBB的功率限制为Ns，WBB是一个Nr×Ns维的数字域解码矢量，WBB的功率也限制为Ns。其频谱效率R的计算公式为其中表示矩阵的广义逆。对于基于不规则拼接子阵的全数字波束成形架构来说，由于相邻的天线单元共用一条射频链路，基站射频链路数变为个，其中个，用户端射频链路数变为个，其中个，因此FBB中的行向量是两两相同的，因此可以将FBB分离为Tsub为一个的二进制矩阵，为一个维的预编码矢量，WBB分离为Rsub为一个的二进制矩阵，为一个维的解码矢量。则对于基于不规则拼接子阵的全数字波束成形架构来说，用户端接收到的经过解码后的信号y为对于混合波束MIMO系统来说，假设发射端有个射频链路，接收端个射频链路，则用户端接收到的经过解码后的信号y为其中FBB是一个维数字域预编码矢量，FRF是一个维模拟域预编码矢量，WBB是一个维的数字域解码矢量，WRF是一个维的模拟域解码矢量。其频谱效率R的计算公式为对于基于不规则拼接子阵的混合波束成形架构来说，由于相邻的天线单元共用一条射频链路，基站射频链路数变为个，其中个，用户端射频链路数变为个，其中个，同时模拟移相器的数量也减少一半，FRF中的行向量也是两两相同的，因此可以将FRF分离为Tsub为一个的二进制矩阵，为一个维的预编码矢量，为一个维的预编码矢量，将WRF分离为Rsub为一个的二进制矩阵，为一个维的模拟域解码矢量，为一个维的数字域解码矢量。则对于基于不规则拼接子阵的全数字波束成形架构来说，用户端接收到的经过解码后的信号y为观察(6)(9)式，可以发现如果把定义成一个新的信道矩阵Hsub后，系统模型就和传统的全数字波束成形架构和混合波束成形架构一致，因此事实上，优化不规则子阵的阵列排布就是在设计Tsub和Rsub这两个二进制矩阵。然而频谱效率的计算公式中包含了预编码和解码这些变量，同时优化这些变量是十分复杂的，因此本专利技术先利用信道容量公式优化出基于不规则子阵的信道的最大容量，再根据优化好的阵列排布，利用成熟的波束成形算法计算全数字架构和混合数字架构的预编码矢量和解码矢量。基于不规则子阵的信道容量的表达式为因此对于给定的信道矩阵，信道容量中的表达式就只有发射阵列排布变量Tsub和接收阵列排布变量Rsub。其需要满足以下等式限制具体的排布算法可以根据R.J.Mailloux，AndreaMassa等人提出的二联网格排布算法以信道容量最大化为优化目标进行优化。当优化得到了优化结果后观察(6)(9)式，原式可以采用传统的波束成形算法进行计算。在本专利技术中，对于全数字架构采用SVD分解算法计算预编码和解码矢量，对于混合数字架构采用SIC算法计算其数字域和模拟域的预编码和解码矢量，最终可以计算出基于不规则拼接子阵的频谱效率。本专利技术的创新性在于开发了一种基于不规则拼接子阵的MIMO波束成形架构。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1.采用不规则子阵的形式在使用原有T/R组件数1/4的条件下，仍能够保证天线阵列具有低副瓣，高增益的特点。2.优化出的不规则阵列能够实现二维扫描，对于方阵，E/H面的扫描能力基本一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于大规模MIMO波束形成的不规则拼接子阵架构，对于全数字波束形成MIMO系统，其特征在于，每一条射频链路通过一个功分器连接两个相邻的天线单元，对于混合数字波束形成MIMO系统来说，其特征在于，每一个模拟移相器通过一个功分器连接两个相邻的天线单元；在设计这两种MIMO系统时，首先以MIMO信道容量为优化目标采用遗传算法优化不规则子阵阵列排布，得到最优的阵列拓扑结构后，再以频谱效率最大化为目标设计预编码和解码矢量。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于大规模MIMO波束形成的不规则拼接子阵架构，对于全数字波束形成MIMO系统，其特征在于，每一条射频链路通过一个功分器连接两个相邻的天线单元，对于混合数字波束形成MIMO系统来说，其特征在于，每一个模拟移相器通过一个功分器连接两个相邻的天线单元；在设计这两种MIMO系统时，首先以MIMO信道容量为优化目标采用遗传算法优化不规则子阵阵列排布，得到最优的阵列拓扑结构后，再以频谱效率最大化为目标设计预编码和解码矢量。


2.根据权利要求1所述的一种用于大规模MIMO波束形成的不规则拼接子阵架构，其特征在于，所述的排布优化方法其优化模型如下所示






其中logdet()代表对矩阵求行列式再求以2为底的对数，Nt为发射端配置的天线单元数目，Nr个为用户接收端配置的天线单元数目，H为预先得到的信道矩阵，I为单位矩阵，矩阵维数为Tsub为二进制的发射阵列排布矩阵，Rsub为二进制的接收阵列排布矩阵，ρ为发射功率，为噪声功率，()H表示对矩阵求共轭转置。


3.根据权利要求1所述的一种用于大规模MIMO波束形成的不规则拼接子阵架构，其特征在于，阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨仕文，马彦锴，陈益凯，屈世伟，胡俊，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51