一种基于矩阵求逆的短距离并行无线传输系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于矩阵求逆的短距离并行无线传输系统及方法，包括信号采集设备、发射端天线阵、接收端天线阵、传输矩阵获取装置和控制计算机；通过对传输矩阵加载逆矩阵的方法，在不使用射频电缆连接到终端的条件下，实现虚拟的电缆连接功能。本发明专利技术可以替代现有的电缆传导方法，能在短距离范围内实现数据的并行无线传输，避免在传输数据时需接入大量射频电缆或其他传输线，能够灵活选择收发两端的空间位置，提高信号传输效率。同时可以控制传输矩阵条件数在一个较小的范围内，有效提高信号传输的稳定性。本发明专利技术适用于高频段的多路信号并行传输。

【技术实现步骤摘要】
一种基于矩阵求逆的短距离并行无线传输系统及方法
本专利技术涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于矩阵求逆的短距离并行无线传输系统及方法。
技术介绍
第五代无线通信系统(5G)正在逐步推进和快速发展。5G通信系统的两大技术——毫米波技术和大规模MIMO(Multiple-InputMultiple-Output，多输入多输出)技术得到了广泛的应用，进而对信号的传输方式提出了更高的要求。一方面，5G中通信频段划分为两段，分别为Sub6GHz频段(410MHz-7125MHz)与毫米波频段(24250MHz-52600MHz)。传输以上微波毫米波频段的信号，所需的高频器件具有小型化、集成化的特点，不便于安装转接头，进而无法连接电缆线。另一方面，随着通信系统与测试系统中的数据量不断增加，采用常规的电缆传导时，布线量的增加，会导致电缆线的维护与管理成本也逐渐增加，同时布线质量对信号传输的稳定性影响较大。因此提出一种替代电缆连接的无线传输的系统及方法，能在短距离范围内实现数据的并行传输，不使用射频电缆连接到终端设备，而是通过加载逆矩阵的方法，实现虚拟的电缆连接功能。在国内外的相关文献报道中，该方法被应用于空口测量实现相控阵的校准测量以及终端基站的性能测试，还未应用于信号的无线传输方向，信号采集设备获得的多路传输信号仍需通过连接复杂且数量较多的线缆实现传输。实现无线传输需要加载传输矩阵的补偿矩阵，即传输矩阵的逆矩阵。根据矩阵理论，一个矩阵的逆矩阵对误差的敏感程度取决于条件数，具有小条件数的矩阵是理想的，不会放大由于数据中的噪声引起的误差。但在实际工程应用中误差是不可避免的。所以为了避免在矩阵求逆时，任意一个微小误差对结果产生很大的影响，需要一定的限制条件，确保传输矩阵条件数在可接受范围内。
技术实现思路
本专利技术为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于矩阵求逆的短距离并行无线传输系统及方法，替代现有的电缆传导方法，能在短距离范围内实现数据的并行无线传输，解决电缆数量过多与接口尺寸过大对微波毫米波信号的限制。尤其是，通过对发送端与接收端的组合设计，可降低多路信号条件下传输矩阵的条件数，有效提高系统的稳定性，去除信号连接设备的维护成本，提高传输效率。本专利技术的技术解决方案：一种基于矩阵求逆的短距离并行无线传输系统，包括：信号采集设备、发射端天线阵、接收端天线阵、传输矩阵获取装置和控制计算机；发射端天线阵连接到信号采集设备上，接收端天线阵放置于发射天线阵的正前方或正前方附近区域，发射端天线阵与接收端天线阵采用相同的天线阵列，发射端天线阵、接收端天线阵中的天线单元分别工作于发射与接收状态；控制计算机连接接收天线阵；传输矩阵获取装置的两端分别连接发射端天线阵与接收端天线阵；从信号采集设备获得多路传输信号，使用发射端天线阵并行发射各路传输信号的数据，传输信号在自由空间中进行短距离的传播，然后被接收端天线并行地接收；根据发射端天线阵与接收端天线阵的间距，以及发射端天线阵与接收端天线阵的各天线单元的间距、数据流的数目和信号频段，利用传输矩阵获取装置确定发射端天线阵、接收端天线阵之间的传输矩阵A，并送至控制计算机中；控制计算机计算传输矩阵A的条件数，调整发射端天线阵、接收端天线阵的间距，以及发射端天线阵与接收端天线阵各天线单元的间距、数据流的数目和信号频段，直到获得设定的传输矩阵的条件数；然后计算机对所获得的传输矩阵A求逆矩阵，将逆矩阵加载到接收信号上，通过对接收信号幅度和相位的调整，恢复出原始的传输信号，实现传输信号基于矩阵求逆的短距离并行无线传输。所述发射端天线阵和接收端天线阵的间距可调整，最小间距为零，最大距离到信号最高频率所对应波长的三十倍。所述设定的传输矩阵条件数为1-10，最佳条件数值为1，10稍差些。所述传输矩阵获取装置分为有相位测量与无相位测量两类，有相位测量法所使用装置为一台矢量网络分析仪或频谱仪或综测仪或矢量接收机，传输信号时，发射端天线阵、接收端天线阵中的天线单元分别工作于发射与接收状态，如果发射信号是由装置的自带芯片提供，则装置将提供一路参考信号用于获取传输矩阵的相位信息；无相位测量方法包括旋转矢量法、换相测量法，不需要提供参考信号，发射端天线阵的每个天线单元需要连接一个数字移相器实现配相状态的改变，接收端天线阵的每个天线单元需要连接一个功率计，依次求解功率值与配相状态所联立的方程组获取传输矩阵的相位。所述发射端天线阵进行信号传输时，若接收端天线阵的各天线单元的波束未能和相对应的发射端天线阵的各天线单元的波束方向对准，会导致其传输效率的降低，为避免各发射端天线所传输信号的串扰对系统稳定性产生影响，所使用的发射端天线阵与接收端天线阵的各天线单元都应该具有一致且良好的方向性，发射端天线阵各天线单元的波束应尽量与接收端天线阵各天线单元的波束对齐，天线增益在5dBi到25dBi之间。所述发射端天线阵与接收端天线阵的各天线单元为双极化天线，具有与地面互相垂直或水平和正负45°两类极化方向；进行传输时，一方面要把接收端天线阵置于发射端天线阵前合理的距离和范围内；另一方面，也要降低因天线单元的极化方向不一致产生的极化损失，在天线单元的两极化之间添加探头幅度控制单元，控制双极化天线的两种极化，使得天线单元合成产生任意线极化，测量时将发射端天线阵与接收端天线阵的各天线单元的极化对正。当传输信号频率较低，即波长大于或等于测试环境大小的十分之一时，无线传输的发射端天线阵与接收端天线阵需要置于微波暗室中，根据几何光学原理，暗室尺寸需要避免传输信号的一次反射直接进入接收端天线阵；因此，测量所使用的微波暗室的内壁放置有周期性的角锥型吸波材料，降低环境的反射特性；当传输信号频率较高，即波长远小于测试环境大小的十分之一时，此时天线单元的尺寸会远远小于发射端天线阵或接收端天线阵所处的传输测试环境，环境的反射特性良好，即传输信号的一次反射无法直接进入接收端天线阵，所产生的干扰信号可忽略不计。本专利技术提供的一种基于矩阵求逆的短距离并行无线传输方法，包括以下步骤：步骤1、将发射端天线阵连接到信号采集设备上，接收端天线阵放置于发射端天线阵的正前方或正前方附近区域，控制计算机连接至接收端天线阵；步骤2、调整发射端天线阵与接收端天线阵的间距，以及发射端天线阵与接收端天线阵各天线单元的间距、数据流的数目和信号频段；使用有相位测量法或无相位测量法确定传输矩阵A；步骤3、在控制计算机中，计算矩阵A的条件数，调整参数直到获得一个条件数小于10的矩阵；然后对所获得的传输矩阵求逆矩阵；步骤4、从信号采集设备获得多路数据，使用发射端天线阵并行发射各路传输信号；使用接收端天线阵并行接收；步骤5、将接收到的传输信号从模拟信号转为数字信号，加载传输矩阵的逆矩阵，实现对传输电缆的替代。所述步骤3中，根据传输信号与接收信号的关系：A*X＝B(1)发射端天线阵发送的传输信号X在自由空间中进行短距离的传输，传输过程对传输信号幅度和相位的影响以传输矩阵A的形式体现，最终接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于矩阵求逆的短距离并行无线传输系统，其特征在于，包括：信号采集设备、发射端天线阵、接收端天线阵、传输矩阵获取装置和控制计算机；发射端天线阵连接到信号采集设备上，接收端天线阵放置于发射天线阵的正前方或正前方附近区域，发射端天线阵与接收端天线阵采用相同的天线阵列，发射端天线阵、接收端天线阵中的天线单元分别工作于发射与接收状态；控制计算机连接接收天线阵；传输矩阵获取装置的两端分别连接发射端天线阵与接收端天线阵；/n从信号采集设备获得多路传输信号，使用发射端天线阵并行发射各路传输信号的数据，传输信号在自由空间中进行短距离的传播，然后被接收端天线并行地接收；根据发射端天线阵与接收端天线阵的间距，以及发射端天线阵与接收端天线阵的各天线单元的间距、数据流的数目和信号频段，利用传输矩阵获取装置确定发射端天线阵、接收端天线阵之间的传输矩阵A，并送至控制计算机中；/n控制计算机计算传输矩阵A的条件数，调整发射端天线阵、接收端天线阵的间距，以及发射端天线阵与接收端天线阵各天线单元的间距、数据流的数目和信号频段，直到获得设定的传输矩阵的条件数；然后计算机对所获得的传输矩阵A求逆矩阵，将逆矩阵加载到接收信号上，通过对接收信号幅度和相位的调整，恢复出原始的传输信号，实现传输信号基于矩阵求逆的短距离并行无线传输。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于矩阵求逆的短距离并行无线传输系统，其特征在于，包括：信号采集设备、发射端天线阵、接收端天线阵、传输矩阵获取装置和控制计算机；发射端天线阵连接到信号采集设备上，接收端天线阵放置于发射天线阵的正前方或正前方附近区域，发射端天线阵与接收端天线阵采用相同的天线阵列，发射端天线阵、接收端天线阵中的天线单元分别工作于发射与接收状态；控制计算机连接接收天线阵；传输矩阵获取装置的两端分别连接发射端天线阵与接收端天线阵；
从信号采集设备获得多路传输信号，使用发射端天线阵并行发射各路传输信号的数据，传输信号在自由空间中进行短距离的传播，然后被接收端天线并行地接收；根据发射端天线阵与接收端天线阵的间距，以及发射端天线阵与接收端天线阵的各天线单元的间距、数据流的数目和信号频段，利用传输矩阵获取装置确定发射端天线阵、接收端天线阵之间的传输矩阵A，并送至控制计算机中；
控制计算机计算传输矩阵A的条件数，调整发射端天线阵、接收端天线阵的间距，以及发射端天线阵与接收端天线阵各天线单元的间距、数据流的数目和信号频段，直到获得设定的传输矩阵的条件数；然后计算机对所获得的传输矩阵A求逆矩阵，将逆矩阵加载到接收信号上，通过对接收信号幅度和相位的调整，恢复出原始的传输信号，实现传输信号基于矩阵求逆的短距离并行无线传输。


2.根据权利要求1所述的基于矩阵求逆的短距离并行无线传输系统，其特征在于：所述发射端天线阵和接收端天线阵的间距可调整，最小间距为零，最大距离到信号最高频率所对应波长的三十倍。


3.根据权利要求1所述的基于矩阵求逆的短距离并行无线传输系统，其特征在于：所述设定的传输矩阵条件数为1-10，最佳条件数值为1。


4.根据权利要求1所述的基于矩阵求逆的短距离并行无线传输系统，其特征在于：所述传输矩阵获取装置分为有相位测量与无相位测量两类，有相位测量法所使用装置为一台矢量网络分析仪或频谱仪或综测仪或矢量接收机，传输信号时，发射端天线阵、接收端天线阵中的天线单元分别工作于发射与接收状态，如果发射信号是由装置的自带芯片提供，则装置将提供一路参考信号用于获取传输矩阵的相位信息；无相位测量方法包括旋转矢量法、换相测量法，不需要提供参考信号，发射端天线阵的每个天线单元需要连接一个数字移相器实现配相状态的改变，接收端天线阵的每个天线单元需要连接一个功率计，依次求解功率值与配相状态所联立的方程组获取传输矩阵的相位。


5.根据权利要求1所述的一种基于矩阵求逆的短距离并行无线传输系统，其特征在于：所述发射端天线阵进行信号传输时，若接收端天线阵的各天线单元的波束未能和相对应的发射端天线阵的各天线单元的波束方向对准，会导致其传输效率的降低，为避免各发射端天线所传输信号的串扰对系统稳定性产生影响，所使用的发射端天线阵与接收端天线阵的各天线单元都应该具有一致且良好的方向性，发射端天线阵各天线单元的波束应尽量与接收端天线阵各天线单元的波束对齐，天线增益在5dBi到25dBi之间。


6.根据权利要求1所述的一种基于矩阵求逆的短距离并行无线传输系统，其特征在于：所述发射端天线阵与接收端天线阵的各天线单元为双极化天线，具有与地面互相垂直或水平和正负45°两类极化方向；进行传输时，一方面要把接收端天线阵置于发射端天线阵前合理的距离和范围内；另一方面，也要降低因天线单元的极化方向不一致产生的极化损失，在天线单元的两极化之间添加探头幅度控制单元，控制双极化天线的两种极化...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐思，王正鹏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11