[发明专利]一种适用于无线通信公共信道的数模混合波束成形方法

说明书

本发明针对大规模MIMO无线通信系统中的具有任意扇区大小的公共信道，提出了一种高功率效率的数字/模拟混合波束成形方法，在保证扇区内所有用户服务质量(QoS)的同时最小化传输功率并提高功放效率。首先通过帕塞瓦尔等式推导出最优的理想波束方向图。然后，以此为目标，使用凸优化技术并利用波束方向图和有限脉冲响应(FIR)滤波器响应之间的联系，挖掘波束方向图参数之间的内在折中关系，进而获得接近理想波束方向图的全数字高功效波束成形矢量。最后，利用等波束方向图原理搜索获得具有相同波束方向图但峰均比(PAPR)最低的波束成形矢量，并基于三角构造定理提出数字/模拟混合预编码构架下的低复杂度实现方法。

技术领域

本发明设计了一种用于大规模MIMO无线通信系统公共信道下的功率高效混合波束成形方法，具体是一种针对任意扇区大小，基于凸优化、滤波器设计原理、等波束方向图理论和几何三角构造原理的高功效混合波束成形方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

目前，在大规模MIMO系统的背景下，多用户波束成形作为专用信道的传输方案已经被大量研究，但针对公共信道的研究则较为缺乏。公共信道主要用于广播重要的同步/参考/控制信号。由于公共信道需要服务于扇区内具有任意位置的所有用户，所以传输设计通常基于基站(Base Station，BS)端没有用户信道状态信息(Channel State Information，CSI)的假设。同时，在设计大规模MIMO收发机时，两种在实际系统中需要考虑的重要因素分别如下。第一，由于射频(Radio Frequency，RF)硬件成本高，在大规模MIMO系统中为每根天线配置基带和射频硬件难以实现。混合架构能够保证在射频链个数小于天线数的情况下有较小或无性能损失。第二，5G通信对高能效的需求使得低发射功率以及天线功放(PA)的高效率成为大规模MIMO系统设计的一个重要准则。

虽然针对公共信道的传输设计在传统的MIMO系统中已有研究，但他们多数并不适合大规模MIMO系统。在目前已有的大规模MIMO公共信道传输方案设计中，部分研究利用大规模近似，将信道方向简化为离散傅里叶变换的频率采样点所对应的角度值，基于此方法使用Zadoff-Chu(ZC)序列设计全向预编码，能够实现上述离散角度方向上的等信号功率。该方案在其波束结构下，能够针对任意相关信道渐近达到和速率上界以及中断概率下界。然而针对具有有限天线数的实际系统，等同于天线个数的离散角度数量相对不足，导致扇区范围内大量角度区间的性能退化。此外，该方案只适用于具有非混叠角度的扇区，例如，当天线间隔波长比为0.5时，只适用于[-90°，+90°]扇区，这使得ZC方案不能应用于具有任意扇区大小的场景，无法满足5G通信中依据流量要求进行自适应扇区划分的需求。

目前也有其他研究采用了等波束方向图定理，在给定参考波束方向图的前提下，可实现所设计波束成形矢量峰均比(PAPR)的改善。然而，该方案仍只适用于[-90°，+90°]扇区，而且在离散采样角度数量超过天线数的两倍时会出现性能退化。

发明内容

发明目的：为了解决具有任意大小扇区的大规模MIMO系统公共信道中的波束成形问题，本发明提出了一种适用于任意扇区大小的数模混合波束成形方法。基于最小化发送功率的基本目标确定了功率高效混合波束成形问题，以实现全扇区服务质量(QoS)保证。利用推导出的理想波束方向图，降低了问题处理的复杂度。利用波束方向图和有限脉冲响应(FIR)滤波器响应之间的联系，采用半正定规划来折衷波束方向图参数之间的内在关系，进而获得一个接近理想波束方向图的全数字功率高效波束成形矢量。最终利用等波束方向图和三角构造定理，获得一个具有高性能波束方向图且PAPR最低的波束成形矢量，并使其能够完成在数字/模拟混合预编码构架下的无损实现。

为了更清楚的理解本发明内容，首先介绍本发明所采用的系统模型：对于一个具有M根天线的基站(BS)，假设实际混合结构中有N_RF个射频链路，公共信道中的目标用户随机分布在角度区间为的扇区中。公共信道的传输模型，即在观测用户端的接收信号为