毫米波大规模相控阵系统的宽带修正模拟波束成形方法技术方案

本发明专利技术涉及一种毫米波大规模相控阵系统的宽带修正模拟波束成形方法，属于无线通信技术领域。该方法包括：S1：根据信号入射角度，构造标准模拟波束成形矢量；S2：采用CAZAC序列中的Zadoff

【技术实现步骤摘要】
毫米波大规模相控阵系统的宽带修正模拟波束成形方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，涉及一种毫米波大规模相控阵系统的宽带修正模拟波束成形方法。

技术介绍

[0002]毫米波频段的范围为30GHz～300GHz，具有众多可用频谱，高吞吐量毫米波通信已被视为第五代(5G)蜂窝网络及以后时代的关键启用技术，可以支持超高速率无线传输。然而，毫米波频段信号的严重衰减限制了有效通信距离。幸运的是，由于天线的尺寸更小，频率更高，毫米波系统允许在一个小区域内封装大量天线，以提供显著的波束形成增益，以补偿严重的信号衰减。尽管利用大规模阵列天线进行毫米波通信有诸多好处，但同时考虑到系统性能和复杂性，要充分发挥大规模阵列天线的优势还存在诸多挑战。
[0003]考虑远程点对高吞吐量毫米波通信场景，毫米波收发机可以采用大规模相控阵进行模拟波束成形来增加通信距离。在相控阵中，所有阵元通过移相器网络连接到单个射频链路上。然而在天线规模数和信号带宽较大时，电磁波在大规模阵列孔径上的物理传播延迟可以与符号周期相当。因此各个阵元对基带信号的时延不可忽略，阵列导向矢量将与频率相关。需要注意的是，移相器的移相值与频率是不相关的。如果仍采用传统窄带标准模拟波束成形方法，会导致大规模相控阵出现宽带波束倾斜现象，即产生的空间波束在不同频率下波束指向不同。从通信角度而言，大规模相控阵宽带波束倾斜现象不仅仅会导致阵列增益损失，还会导致物理无线信道和移相器网络组成的空间等效信道变为频率选择性信道。此外，该频率选择性信道存在多个深衰落点。信道的频率选择性会导致接收机出现码间干扰，从而降低了系统误比特率性能。
[0004]为了消除宽带波束倾斜现象，常采用实时延迟线(True Time Delay,TTD)取代移相器。TTD阵列可以由波导、同轴电缆或光纤组成，但存在体积大、功耗大、成本高和受温度等环境影响等缺点。此外，全数字阵列结构每个阵元通道都单独配置一路RF链路，从而使得所有阵列数据可以在数字基带进行处理。TTD阵列和全数字阵列能够产生与频率相关的波束成形矢量，因此能够消除波束倾斜现象。但与传统相控阵相比，会导致毫米波大规模天线系统的复杂度和功耗急剧增加。基于大规模天线阵列宽带系统可实现角度，需设计低复杂度的宽带模拟波束方法以降低相控阵宽带波束倾斜现象引起的性能损失。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种宽带修正模拟波束成形方法，应用于实际毫米波远距离高容量大规模相控阵通信系统接，在不增加复杂度的情况下，仅仅对标准模拟波束成形矢量进行修正。使用本专利技术方法所得到的空间等效信道频域响应不存在深衰落点，从而消除了波束倾斜引起的码间干扰对系统误比特率性能的影响。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种毫米波大规模相控阵系统的宽带修正模拟波束成形方法，基于恒包络零自相
关(CAZAC)序列设计一种修正的宽带模拟波束成形方法，从而消除物理无线信道和移相器网络组成的空间等效信道中由波束倾斜引起的深衰落点。本质上，空间等效信道频域响应相当于模拟波束成形矢量关于天线空间采样的离散傅里叶变换。为使空间等效信道尽可能平坦，可以寻找一种在频域具有平坦特性的序列来对模拟波束成形矢量进行修正。CAZAC序列即是满足该要求的序列。本专利技术使用CAZAC序列中的Zadoff
‑
Chu序列对标准模拟波束成形矢量进行修正。参阅图1，该方法具体包括以下步骤：
[0008]S1：根据信号入射角度θ，构造标准模拟波束成形矢量w
std
；
[0009]S2：采用CAZAC序列中的Zadoff
‑
Chu序列构造修正矢量w
cor
；
[0010]S3：根据标准模拟波束成形矢量w
std
和修正矢量w
cor
，构造修正模拟波束成形矢量w。
[0011]进一步，步骤S1中，构造的标准模拟波束成形矢量w
std
为：
[0012][0013]m＝1，
…
，M
[0014]其中，f
c
表示载波频率，d表示阵列单元间距，θ0表示期望波束指向，c表示光速，M表示天线数目，φ
std，m
为第m个天线对应的移相器的移相值。
[0015]进一步，步骤S2中，采用Zadoff
‑
Chu序列构造的修正矢量w
cor
为：
[0016][0017]m＝1，
…
，M
[0018]其中，B表示信号频带带宽，φ
cor，m
为第m个天线对应的移相器的修正相位。
[0019]进一步，步骤S3中，构造的修正模拟波束成形矢量W为：
[0020]w＝w
std
⊙
w
cor
[0021]其中，
⊙
为向量Hadamard积操作。
[0022]本专利技术的有益效果在于：本专利技术主要应用于远距离高容量毫米波大规模相控阵通信系统，其优势在于：
[0023]1)与传统的相控阵标准模拟波束成形方法相比，本专利技术能够消除标准模拟波束成形方法下的空间等效信道中由波束倾斜引起的深衰落点，从而在不增加复杂度的情况下改善毫米波通信系统的误比特率性能。
[0024]2)与TTD阵列和全数字阵列宽带波束成形方法相比，本专利技术降低了系统的成本、功耗和复杂度。本专利技术方法仍然使用模拟相控阵结构，并不需要在每个阵元通道使用实时延迟线和RF链路，而是直接修正移相器网络各移相器的移相值消除宽带影响。
[0025]本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0026]为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：
[0027]图1为本专利技术宽带修正模拟波束成形方法的流程图；
[0028]图2为本专利技术修正模拟波束成形方法与传统相控阵模拟波束成形方法(标准模拟波束成形方法)在60GHz毫米波通信系统下的空间等效信道频域响应对比效果图；
[0029]图3为60GHz毫米波单载波频域均衡(SC
‑
FDE)通信系统中大规模相控阵使用本专利技术修正模拟波束成形方法、传统相控阵模拟波束成形方法(标准模拟波束成形方法)与理想TTD阵列或全数字阵列(理想曲线)的误比特率性能对比效果图。
具体实施方式
[0030]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种毫米波大规模相控阵系统的宽带修正模拟波束成形方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：根据信号入射角度θ，构造标准模拟波束成形矢量w
std
；S2：采用CAZAC序列中的Zadoff
‑
Chu序列构造修正矢量w
cor
；S3：根据标准模拟波束成形矢量w
std
和修正矢量w
cor
，构造修正模拟波束成形矢量w。2.根据权利要求1所述的宽带修正模拟波束成形方法，其特征在于，步骤S1中，构造的标准模拟波束成形矢量w
std
为：为：其中，f
c
表示载波频率，d表示阵列单元间距，θ0表示期望...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏德肖，张睿，肖满湘，李正禄，陈陶，崔雪琪，郭威威，陈国栋，温兴与，朱林，
申请(专利权)人：重庆航天火箭电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：