[发明专利]一种应用于毫米波通信的共享幅度加权模拟波束成形方法

说明书

本发明公开了一种应用于毫米波通信的共享幅度加权模拟波束成形方法，其步骤包括：1、在利用相移器矩阵调节不同波束指向的基础上，利用共享幅度加权降低波束间干扰；2、对于可调共享幅度加权，利用最优化方法进行权值设计；3、对于固定共享幅度加权，利用窗函数进行空间域滤波，进一步降低旁瓣水平。本发明能降低成本和系统开销，仅依赖于波束方向即可实现波束赋形，并使得模拟波束成形能支持多数据流传输。

技术领域

本发明属于未来5G毫米波大规模天线阵列通信技术领域，具体涉及一种共享幅度加权模拟波束成形的设计方法。

背景技术

未来5G通信需要更大的带宽，更高的数据速率和频谱效率。毫米波频段拥有巨大的未授权频谱资源，被认为是5G通信中很有前景的选择；同时大规模天线阵列技术通过获得更高的天线增益来抵抗路损；另外，为了提高天线方向增益，提高覆盖能力，波束成型技术得到广泛关注。波束成形技术分为模拟域波束成形和数字域波束成形。模拟域波束成形多数情况通过相移器网络进行实现，实现成本低，但是只适用于单流传输。数字域波束成形通过迫零预编码等技术消除多流之间的干扰，但是硬件成本较高，并且需要已知等效信道信息，信道估计开销大。

针对多用户情况，前人提出很多混合波束成形方案，其中包括：《电气和电子工程师协会无线通信学报》(2016年12月出版15卷11期7258–7271页)提出的通过压缩感知技术估计信道信息，并对于信道矩阵进行奇异值(SVD)分解获得预编码矩阵的方案；以及《电气和电子工程师协会通信选域期刊》(2017年6月出版35卷7期1576-1590页)文章提出的通过波束训练，来获得模拟域预编码矩阵的方案。但是这些方案均存在训练开销较大，计算复杂度较高的缺点，所以多是利用信道互易性，在上行完成复杂的信道估计或者波束训练过程，再以此设计下行波束成形。但是实际上，由于同相正交失衡等多种因素的存在，射频链在上下行是不满足互易性的。此外由于频偏，有限精度反馈等问题的存在，信道获取将不可避免存在误差，这将导致混合波束成形性能严重下降。

传统模拟域恒幅度相移网络的波束赋形方法面临链路间干扰引起的链路数目严重受限的问题；全数字实现和混合波束赋形方法受制于成本、器件供应链等原因使得毫米波通信系统在实用化中面临很大的挑战；波束赋形方法对于信道(等效信道)估计误差敏感，且需要高额系统开销，限制了相关波束赋形技术在上行链路的运用。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种应用于毫米波通信的共享幅度加权模拟波束赋形方法，以期能降低成本和系统开销，仅依赖于波束方向即可实现波束赋形，并使得模拟波束成形能支持多数据流传输。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种应用于毫米波通信的共享幅度加权模拟波束成形方法的特点是应用于由一个基站与K个用户端所构成的下行通信网络环境中；假设所述基站的天线有N_BS根，射频链数为N_RF，K个用户端为单天线，且射频链数为一条；

步骤1、令第k个用户端的信道采用如式(1)所示的莱斯信道模型h_k：

式(1)中，v_k为第k个用户端信道的莱斯因子，h_L,k为所述基站与第k个用户端的直视径信道；并有：

式(2)中，为第k个用户端直视径信道的下行离开角，为离开角为的天线阵列响应矢量；

式(1)中，h_N,k为所述基站与第k个用户端的散射径信道，并有：

式(3)中，L为用户端的散射径信道条数，a_k,l为第k个用户端第l条散射径的路径系数，为第k个用户端第l条散射径信道的下行离开角，为离开角为的天线阵列响应矢量；