分離型非對稱混合波束成型的傳輸裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種適用于高頻段多輸入多輸出系統(tǒng)的 分離型非對稱混合波束成型的傳輸裝置及方法。該傳輸裝置及方法采用發(fā)射機(jī)分離型數(shù)字 模擬混合波束成型發(fā)送，接收機(jī)全數(shù)字接收的非對稱波束成型方案，能在合理的接收機(jī)復(fù) 雜度下充分利用模擬波束成型的陣列、分集增益和數(shù)字波束成型的復(fù)用、分集增益，提高系 統(tǒng)性能。
【背景技術(shù)】
[0002] 面向2020年及未來移動通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)將邁入第五代移動通信(5G)的發(fā)展階段， 中國在IMT-2020(5G)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)白皮書中提出IOOMbps-I加PS的數(shù)據(jù)速率指標(biāo)。為了實(shí) 現(xiàn)超高速率的傳輸，大規(guī)模MIMO技術(shù)和毫米波通信是未來5G通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 毫米波通信帶來許多新的問題，其中波束成型方案的設(shè)計(jì)是研究重點(diǎn)之一。在毫 米波通信中，大規(guī)模天線陣列由于體積小易于封裝，使其能夠?qū)崿F(xiàn)高預(yù)編碼增益。然而，大 規(guī)?；旌闲盘柺沟脭?shù)字預(yù)編碼變得相當(dāng)困難。同時，設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣通常需要完全或者部 分信道狀態(tài)信息，由于毫米波通信天線數(shù)多且信噪比較低，運(yùn)在波束成型之前很難獲得所 需的信道狀態(tài)信息。
[0004]為了克服射頻硬件的約束，提出了模擬波束成型解決方案。其主要思想是利用相 移器去控制每根天線所傳輸信號的相位，發(fā)射端在不需要信道信息的情況下通過波束訓(xùn)練 算法來設(shè)計(jì)模擬波束成型權(quán)重。模擬波束成型在一定程度上降低了復(fù)雜度，但是發(fā)送的并 行流不能獲得復(fù)用增益，且當(dāng)多個用戶距離較近時會引起嚴(yán)重的用戶間干擾。
[0005]為了獲得更大的增益W及對多個數(shù)據(jù)流進(jìn)行預(yù)編碼，在毫米波通信中提出了數(shù)模 混合波束成型。采用數(shù)?；旌喜ㄊ尚涂蒞在減少射頻鏈路數(shù)的同時保證系統(tǒng)性能。然而 目前的毫米波混合波束成型通信系統(tǒng)多采用對稱式的，即發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均采用混合波束 成型方案，運(yùn)在多用戶場景中接收機(jī)的復(fù)雜度高代價大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的：為了同時利用模擬波束成型的陣列、分集增益和數(shù)字波束成型的復(fù)用、 分集增益，高頻段多輸入多輸出(MIM0:MultipleI叩UtMultipleOutput)無線通信系統(tǒng) 多采用發(fā)射機(jī)接收機(jī)對稱的混合波束成型方案，在多用戶場景中，顯著增加接收機(jī)復(fù)雜度 及系統(tǒng)開銷。考慮現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對高頻段多用戶MIM0(MU-MIM0:Multi-user MultipleI噸UtMultipleOutput)無線通信系統(tǒng)，本發(fā)明提供一種發(fā)射機(jī)采用分離型數(shù) 字模擬混合波束成型，接收機(jī)采用全數(shù)字接收的非對稱波束成型裝置及方法，能在合理的 接收機(jī)復(fù)雜度下充分利用模擬波束成型的陣列、分集增益和數(shù)字波束成型的復(fù)用、分集增 益，提高系統(tǒng)性能。
[0007] 技術(shù)方案：一種適用于高頻段MU-MIMO無線通信系統(tǒng)的分離型非對稱混合波束成 型的傳輸裝置，包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，發(fā)射機(jī)包括數(shù)據(jù)的基帶信號處理模塊，射頻鏈路模塊 W及相控發(fā)射天線陣列模塊，其中基帶信號處理模塊與Nrf個射頻鏈路模塊連接，射頻鏈路 模塊與相控發(fā)射天線陣列連接，連接的方式為分離型，每個射頻鏈路模塊連接有M根射頻天 線，每一射頻天線均有一相移控制器;在接收端有K個用戶，每個用戶有獨(dú)立的接收機(jī)且每 個接收機(jī)有一個基帶信號處理模塊，用戶k有W,,根全向天線，所有用戶天線總數(shù)為 心=Z施； A-=I
[000引發(fā)射機(jī)采用分離型數(shù)字模擬混合波束成型，基帶信號處理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束成 型，將Ndata路數(shù)據(jù)流映射到Nrf個射頻鏈路上，實(shí)現(xiàn)復(fù)用增益和分集增益。對于每一個射頻鏈 路，通過其上的M根射頻天線分別采用不同的相移來實(shí)現(xiàn)該射頻鏈路的模擬波束成型，從而 利用相控天線陣列的陣列增益和分集增益，抵抗信道衰落。
[0009] 發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬混合波束成型的具體流程為:將要發(fā)射的Ndata路數(shù)據(jù)流輸入 基帶信號處理模塊進(jìn)行數(shù)字預(yù)編碼，輸出Nrf路數(shù)字信號，Nrf路數(shù)字信號分別傳遞給Nrf個射 頻鏈路。在每一個射頻鏈路，數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成模擬信號，并調(diào)制至高頻后經(jīng)相 位控制器進(jìn)行相位調(diào)整后通過M根射頻天線發(fā)射出去，從而實(shí)現(xiàn)該路信號的模擬波束成型。
[0010] 接收機(jī)采用全數(shù)字接收，用戶k通過全向天線接收到路高頻信號，每一路信號 解調(diào)至低頻信號后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，將運(yùn)路數(shù)字信號輸入基帶信號處理 模塊進(jìn)行解數(shù)字預(yù)編碼，從而恢復(fù)發(fā)送給其的數(shù)據(jù)。
[0011] 一種適用于上述高頻段MU-MIMO無線通信系統(tǒng)中分離型非對稱混合波束成型的傳 輸裝置的傳輸方法，具體步驟如下：
[0012] 步驟一:發(fā)射端，發(fā)射機(jī)發(fā)射模擬波束成型訓(xùn)練序列；接收端，每個用戶選擇最佳 的模擬波束成型圖案并且反饋給發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)確定每個發(fā)射鏈路的模擬波束成型碼字。
[0013] 假設(shè)發(fā)射機(jī)的每個相控天線子陣列共享同一個模擬波束訓(xùn)練碼本，且包含Npa個碼 字。發(fā)射機(jī)依次從第1個相控天線子陣列到第Nrf個相控天線子陣列進(jìn)行模擬波束碼本訓(xùn)練。 第i個相控天線子陣列進(jìn)行波束訓(xùn)練時，發(fā)射機(jī)依次W碼本中的所有碼字對所有用戶廣播 相同的數(shù)據(jù)且發(fā)射功率保持不變，接收端的所有用戶采用全向接收，每個用戶通過接收到 的信號質(zhì)量判斷得到第i個相控天線子陣列向其波束成型發(fā)射時的最佳碼字的序號，并將 該碼字序號反饋給發(fā)射機(jī)。按照W上流程依次完成從第1個相控天線子陣列到第Nrf個相控 天線子陣列的模擬波束碼本訓(xùn)練。發(fā)射機(jī)根據(jù)模擬波束碼本訓(xùn)練的結(jié)果確定每個發(fā)射鏈路 的模擬波束成型碼字，將發(fā)射鏈路Kl含i含Nrf)的模擬波束成型碼字向量記為tlf。
[0014] 步驟二:發(fā)射機(jī)使用步驟一得到的模擬波束成型方案發(fā)送信道估計(jì)訓(xùn)練序列，用 戶估計(jì)數(shù)字域等效信道Heff并反饋給發(fā)送端。
[0015] 具體方法為:發(fā)射機(jī)發(fā)送已知的訓(xùn)練序列，發(fā)送訓(xùn)練序列時每個射頻鏈路使用步 驟一選擇的模擬波束碼字進(jìn)行模擬波束成型，數(shù)字域不做波束成型，接收端通過訓(xùn)練序列 進(jìn)行信道估計(jì)，此時估計(jì)出的信道即為數(shù)字域的等效信道出ff。
[0016] 步驟=:發(fā)射機(jī)根據(jù)步驟二得到的數(shù)字域等效信道Heff確定數(shù)字預(yù)編碼矩陣Fbb，用 戶k根據(jù)步驟二得到的數(shù)字域等效信道出ff確定解數(shù)字預(yù)編碼矩陣W常。
[0017] 步驟四：發(fā)射機(jī)將數(shù)據(jù)流通過數(shù)字波束成型和模擬波束成型發(fā)送給用戶。
[0018] 設(shè)發(fā)射機(jī)要發(fā)送的數(shù)據(jù)S是一個NdataXI維向量，并且由發(fā)送給各用戶的數(shù)據(jù)組 成，即S=klT，. . .，SkT，. . .，SkT]T。其中，Sk是發(fā)送給用戶k的數(shù)據(jù)向量，是一個A/ImXI維向 量。S經(jīng)過數(shù)字預(yù)編碼得到數(shù)字域發(fā)送信號X，是一個NrfXI維向量。
[0019]X=FggS=柄，?,..., %化]『 (1)
[0020] Nrf維數(shù)字信號分別傳給Nrf路射頻鏈路，每一個射頻鏈路通過其上連接的M根天線 的相移來進(jìn)行模擬波束成型，其中發(fā)射鏈路i(1含i含Nrf)的模擬波束成型碼字向量為， 發(fā)射鏈路i(l<i<Nrf)的天線子陣列發(fā)射的信號=Ga，整個發(fā)射機(jī)相控天線陣列發(fā)送的 信號t二[t/，t/，....，tw/f。
[0021] 步驟五:用戶對接收到的數(shù)據(jù)做數(shù)字解預(yù)編碼，恢復(fù)發(fā)送給其的信號。
[0022] 用戶k(l含k含K)對接收到的信號rk進(jìn)行接收機(jī)解數(shù)字預(yù)編碼，恢復(fù)出發(fā)送給其的 數(shù)據(jù)。
[002；3] 二W心口）
[0024] 其中W立是用戶k( 1 <k卽)的解數(shù)字預(yù)編碼矩陣。
[0025] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：發(fā)射機(jī)混合波束成型，能夠同 時利用模擬波束成型的陣列、分集增益和數(shù)字波束成型的復(fù)用、分集增益，提高系統(tǒng)性能。 接收機(jī)全數(shù)字接收，能利用數(shù)字波束成型的復(fù)用、分集增益，且能很好地適用于多用戶場 景，降低系統(tǒng)接收機(jī)復(fù)雜度。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明方法所對應(yīng)的分離型非對稱混合波束成型收發(fā)機(jī)框圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明方法的總體流程框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解運(yùn)些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價 形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0029] 如圖1所示，適用于高頻段MU-MIMO無線通信系統(tǒng)的分離型非對稱混合波束成型的 傳輸裝置，包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，發(fā)射機(jī)包括數(shù)據(jù)的基帶信號處理模塊，射頻鏈路模塊W及 相控發(fā)射天線陣列模塊，其中基帶信號處理模塊與Nrf個射頻鏈路模塊連接，射頻鏈路模塊 與相控發(fā)射天線陣列連接，連接的方式為分離型，每個射頻鏈路模塊連接有M根射頻天線， 每一射頻天線均有一相移控制器;在接收端有K個用戶，每個用戶有獨(dú)立的接收機(jī)且每個接 收機(jī)有一個基帶信號處理模塊，用戶k有根全向天線，接收端所有用戶天線總數(shù)為Mms=ZKs-, 占:二 1;
[0030] 發(fā)射機(jī)采用分離型數(shù)字模擬混合波束成型，基帶信號處理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束成 型，將Ndata路數(shù)據(jù)流映射到Nrf個射頻鏈路上，實(shí)現(xiàn)復(fù)用增益。對于每一個射頻鏈路，通過其 上的M根射頻天線分別采用不同的相移來實(shí)現(xiàn)該射頻鏈路的模擬波束成型，從而利用相控 天線陣列的陣列增益和分集增益，抵抗信道衰落。
[0031]發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬混合波束成型的