一种基于宽带波束赋形的通信传输系统及方法技术方案

本发明专利技术提出了一种基于宽带波束赋形的通信传输系统及方法。本发明专利技术构建真时延网络基站和用户终端间的宽带信道模型；在上行波束训练过程中，真时延网络基站通过设计模拟波束赋形器矩阵控制波束分裂效应，感知来自每个用户终端的接收信号，并基于贝叶斯准则更新每个用户终端到达角的后验概率二叉树模型以获取每个用户终端的到达角信息；下行数据传输过程中，真时延基站端根据每个用户终端的准确到达角信息设计模拟波束赋形矩阵，并计算下行数据传输过程中每个用户终端获得的数据速率。本发明专利技术通过灵活控制空间宽带效应所导致的分裂波束，提供高数据速率、低训练开销、低阵列增益损失的通信传输方法，有效提高了高频段大规模MIMO网络的通信性能。网络的通信性能。网络的通信性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于宽带波束赋形的通信传输系统及方法


[0001]本专利技术属于移动互联网
，尤其涉及一种基于宽带波束赋形的通信传输系统及方法。

技术介绍

[0002]随着智能终端和新兴应用的快速发展，无线数据流量急剧增加，有限的频谱带宽需要为更多的终端提供服务，导致终端服务质量的严重下降，因此不断开拓和利用更高频段的频谱资源至关重要。毫米波、太赫兹等高频段技术凭借超高的数据速率和丰富的带宽资源成为了发展未来无线通信网络的关键技术之一。然而，高频段信号由于超高载波频率极易受到严重的路径损耗，需要与具备高阵列增益定向波束的大规模MIMO(multiple
‑
input multiple
‑
output,多输入多输出)技术相结合，以补偿信号衰减。同时，为了减轻过多的RF(radiofrequency，射频)链导致的大量功耗，现有研究考虑将混合预编码应用于毫米波以及太赫兹大规模MIMO系统中。
[0003]在传统的混合预编码架构中，包含数字波束赋形器和由移相器实现的模拟波束赋形器两部分。其中，模拟波束赋形器将生成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于宽带波束赋形的通信传输系统，其特征在于，包括：真时延网络基站、第1个用户终端、第2个用户终端、...、第K个用户终端；所述真时延网络基站与所述的第1个用户终端、第2个用户终端、...、第K个用户终端依次无线连接；所述所述的第1个用户终端、第2个用户终端、...、第K个用户终端分布在所述真时延网络基站的覆盖范围内；所述真时延网络基站和第k个用户终端之间存在L条传输路径，k∈[1,K]；所述真时延网络基站包括：数字波束赋形器模块、第1条射频链路、第2条射频链路、...、第R条射频链路、第1个真时延模块、第2个真时延模块、...、第R个真时延模块、移相器网络、第1根天线、第2根天线、...、第N根天线，其中射频链路数量远小于天线数量；所述第r个真时延模块由第1个真时延组件、第2个真时延组件、...、第N
D
个真时延组件构成，r∈[1,R]；所述数字波束赋形器模块与所述的第1条射频链路、第2条射频链路、...、第R条射频链路依次连接；所述第r条射频链路与所述第r个真时延模块连接，r∈[1,R]；所述的第1个真时延模块、第2个真时延模块、...、第R个真时延模块与所述移相器网络依次连接；所述移相器网络与所述的第1根天线、第2根天线、...、第N根天线依次连接；所述第r个真时延模块的第m个真时延组件通过移相器网络连接到第n根天线；在上行波束训练过程中，真时延网络基站根据从后验概率二叉树模型搜索得到的每个用户终端的波束探测方向，计算模拟波束赋形矩阵，结合真时延网络基站和用户终端间的宽带信道模型获取来自每个用户终端的接收信号，基于贝叶斯准则更新每个用户终端到达角的后验概率二叉树模型，以获取每个用户终端的到达角信息；下行数据传输过程中，真时延基站端根据下行数据传输过程中对每个子载波的模拟波束赋形矩阵计算下行数据传输过程中每个用户终端获得的数据速率。2.一种应用于权利要求1所述的基于宽带波束赋形的通信传输系统的基于宽带波束赋形的通信传输方法，其特征在于，步骤1：构建真时延网络基站和用户终端间的宽带信道模型；步骤2：在上行波束训练过程中，真时延网络基站构建每个用户终端到达角的后验概率二叉树模型，根据每个用户终端到达角的后验概率二叉树模型搜索得到每个用户终端的波束探测方向，根据搜索得到的每个用户终端的波束探测方向分别计算得到每个用户终端的波束中心探测方向、每个用户终端分配给不同子载波上的波束探测方向，根据每个用户终端的波束中心探测方向构建频率无关的模拟波束赋形矩阵，根据每个用户终端分配给不同子载波上的波束探测方向构建频率相关的模拟波束赋形矩阵，计算模拟波束赋形器矩阵，结合真时延网络基站和用户终端间的宽带信道模型，感知来自每个用户终端的接收信号，基于贝叶斯准则更新每个用户终端到达角的后验概率二叉树模型，以获取每个用户终端的
到达角信息；步骤3：下行数据传输过程中，真时延基站端根据每个用户终端的到达角信息构建下行数据传输过程中对每个子载波的模拟波束赋形矩阵，结合下行数据传输过程中对每个子载波的模拟波束赋形矩阵计算下行数据传输过程中每个用户终端在每个子载波上获得的数据速率，根据下行数据传输过程中每个用户终端在每个子载波上获得的数据速率计算下行数据传输过程中每个用户终端获得的数据速率。3.根据权利要求2所述的基于宽带波束赋形的通信传输方法，其特征在于，步骤1所述真时延网络基站和每个用户终端之间的宽带信道模型，具体如下：步骤1所述真时延网络基站和每个用户终端之间的宽带信道模型，具体如下：步骤1所述真时延网络基站和每个用户终端之间的宽带信道模型，具体如下：其中，k∈[1,K],s∈[1,S]，l∈[1,L],K表示用户终端的数量，S表示子载波的数量，L表示真时延网络基站和每个用户终端之间的传输路径数，N表示天线的数量，B表示真时延网络基站传输系统的传输带宽；h
k
[s]表示真时延网络基站覆盖下的第k个用户终端对第s个子载波的宽带信道模型，表示第k个用户终端在第l条传输路径上传输过程中的复系数，表示第k个用户终端在第l条传输路径上对第s个子载波的频率相关归一化空间到达角，f
s
表示第s个子载波在传输带宽B上的对应频率值，f
c
表示中心子载波频率，表示第k个用户终端和第一根天线之间第l条传输路径的传播时延，表示第k个用户终端在第l条传输路径上对第s个子载波频率相关空间到达角的阵列转向矢量。4.根据权利要求3所述的基于宽带波束赋形的通信传输方法，其特征在于，步骤2所述构建每个用户终端到达角的后验概率二叉树模型，具体流程如下：真时延网络基站明确用户终端到达角在空间所处范围根据所需的到达角分辨率，计算每个用户终端到达角的可能取值，表示如下：其中，δ表示到达角的分辨率；θ
i
表示索引为i的到达角，θ和分别表示用户终端到达角在空间所处范围的上界限、下界限；根据每个用户终端到达角的集合，构建不同时刻每个用户终端到达角的后验概率向量，表示如下：π
k，i
(t):＝P(φ
k
＝θ
i
|y
k，1：t
，F
1:t
)
其中，t∈[1,T]，k∈[1,K]，T表示上行波束训练阶段的时刻数量，K表示用户终端的数量，δ表示到达角的分辨率；：＝表示定义操作；π
k
(t)表示在第t时刻第k个用户终端到达角的后验概率向量，π
k,i
(t)表示在第t时刻第k个用户终端的到达角为θ
i
时后验概率的值，φ
k
表示第k个用户终端的到达角，θ
i
表示索引为i的到达角，y
k,1:t
表示基站在前t个时刻接收来自第k个用户终端的信号，F
1:t
表示前t个时刻的模拟波束赋性器，P(
·
∣
·
)表示后验概率模型；利用二分法将到达角所处的空间范围划分为一个G层的空间集合，结合每个用户终端到达角为θ
i
的后验概率值，计算用户终端的到达角在特定范围内的后验概率值，构建每个用户终端到达角的后验概率二叉树模型，表示为：每个用户终端到达角的后验概率二叉树模型，表示为：每个用户终端到达角的后验概率二叉树模型，表示为：其中，g∈[1,G],v∈[1,2
g
],t∈[1,T]，k∈[1,K]，G表示波束空间层级，T表示上行波束训练阶段的时刻数量，K表示用户终端的数量，δ表示到达角的分辨率；∪表示求并集；θ和分别表示波束覆盖范围的上界限、下界限，表示波束空间中第g层中第v个波束覆盖方向，和分别表示波束空间中第g层中第v个波束覆盖方向的上界限、下界限，表示在第t时刻第k个用户终端的到达角在范围内后验概率的值，π
k,i
(t)表示在第t时刻第k个用户终端的到达角为θ
i
时后验概率的值，θ
i
表示索引为i的到达角。5.根据权利要求4所述的基于宽带波束赋形的通信传输方法，其特征在于，步骤2所述根据每个用户终端到达角的后验概率二叉树模型搜索得到每个用户终端的波束探测方向，具体过程如下：在上行波束训练过程中，真时延网络基站沿着到达角后验概率二叉树的层次结构向下搜索，不断选择后验概率值大于1/2的节点所对应的到达角范围作为下一个时刻的波束探测方向；若在某一层向下一层的两个分支所对应的后验概率值均小于1/2，则比较此分支上下两个层级的节点对应的后验概率值与1/2之差的绝对值，选择差值更小的节点所对应的到达角范围作为波束探测方向；搜索得到的每个用户终端的波束探测方向可表示为：其中，t∈[1,T]，k∈[1,K]，g∈[1,G],j∈[1,2
g
],T表示上行波束训练阶段的时刻数量，K表示用户终端的数量，G表示波束赋形码本层级的数量；表示在第t+1时刻第k个用
户终端的波束探测方向，即波束赋形码本中第g
k,t+1
层中第v
k,t+1
个波束赋形向量对应的方向，和分别表示在第t+1时刻第k个用户终端的波束探测方向的上界限、下界限。6.根据权利要求5所述的基于宽带波束赋形的通信传输方法，其特征在于，步骤2所述根据搜索得到的每个用户终端的波束探测方向计算得到每个用户终端的波束中心探测方向，表示如下：束中心探测方向，表示如下：束中心探测方向，表示如下：其中，t∈[1,T]，k∈[1,K]，T表示上行波束训练阶段的时刻数量，K表示用户终端的数量；S表示子载波的数量；表示在第t+1时刻第k个用户终端的波束中心探测方向，表示在第t+1时刻第k个用户终端的波束探测方向的中心位置，Δθ
k,t+1
表示在第t+1时刻第k个用户终端的波束探测方向分配给不同子载波后的载波间隔，和分别表示在第t+1时刻第k个用户终端的波束探测方向的上界限、下界限；步骤2所述根据搜索得到的每个用户终端的波束探测方向计算得到每个用户终端分配给不同子载波上的波束探测方向，表示如下：其中，t∈[1,T]，k∈[1,K]，s∈[1,S]，T表示上行波束训练阶段的时刻数量，K表示用户终端的数量；S表示子载波的数量；表示在第t+1时刻第k个用户终端分配给第s个子载波的波束探测方向，表示在第t+1时刻第k个用户终端的波束探测方向的上界限，Δθ
k,t+1
表示在第t+1时刻第k个用户终端的波束探测方向分配给不同子载波后...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈琪美，杨洋，吴静，江昊，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：