[发明专利]移相器数量可变的混合精度移相网络及预编码方法

说明书

本发明公开的移相器数量可变的混合精度移相网络及预编码方法，涉及多输入多输出MIMO通信系统中的预编码结构及方法，属于无线通信领域。移相器数量可变的混合精度移相网络即为预编码结构，包括射频RF链路、累加器、天线、连接线，还包括由开关、高低精度移相器对、连接线组成的移相网络；利用一对高、低精度移相器代替传统的一个固定精度移相器，通过控制开关的使能状态控制高、低精度移相器对的使能状态和工作精度的高低，从而灵活地配置移相器的数量与精度。所述适用于移相器数量可变的混合精度移相网络的混合预编码方法，通过联合优化移相器的使能状态、工作精度和混合预编码矩阵，降低能量开销的同时，保证准最优频谱效率，从而提升系统能量效率。

技术领域

本发明涉及多输入多输出MIMO(Multi-input Multi-ouput)通信系统中的预编码结构及方法，尤其涉及混合预编码结构和混合预编码方法，属于无线通信领域。

背景技术

毫米波(300MHz～300GHz)MIMO通信技术由于其丰富的带宽资源与较高的频谱效率被认为是第五代移动通信系统(5G)的关键技术之一。目前毫米波通信由于器件成本高、能耗大等问题尚未得到广泛的商用，预计将在下一代移动通信系统中继续发挥重要作用。为了实现6G的目标，基站需要部署大规模的天线阵列提高频谱效率与覆盖范围，同时通信网络的小区密度将进一步提高以支持海量终端接入。大规模天线阵列与高密度组网将不可避免地导致能量开销激增。为此，提高毫米波MIMO通信系统的能量效率是6G的重要挑战之一。

如图1(a)所示，在传统的全数字MIMO结构中，每一根发射天线都需要配备一个专有的射频链路(包括低噪放、混频器、高速模数/数模转换器等)，对于配置成百上千根天线的毫米波MIMO通信系统来说(比如256根天线，甚至1024根天线)，数量庞大的射频链路导致的能耗与成本是难以承受的。图1(b)所示的数模混合预编码结构被认为是减少射频链路数量的一个有效解决方法。在信号发射端，基带信号先经过一个低维数字信号处理器完成数字预编码，随后经过能耗较低的移相网络完成模拟预编码。为达到接近全数字结构的频谱效率，完成模拟预编码的移相网络需要使用数量庞大的高精度移相器，其数量为天线数与射频链路数的乘积。现有文献资料显示：精度为5比特的移相器能耗高达100mW，4比特移相器能耗大于45mW。因此，模拟移相网络中数量庞大的高精度移相器所带来的高能耗、高成本成为制约毫米波MIMO通信技术发展的主要瓶颈问题之一。

针对点对点MIMO系统和多用户MISO系统，现有技术方案采用低精度的移相器完成混合预编码，给出了对应的准最优混合预编码方案。该技术在设计过程中对模拟预编码矩阵元素进行低精度量化。具体来说，模拟预编码矩阵F_RF中位于(i,j)的每一个元素相位θ_i,j被视为变量，其他元素以及信道状态信息被视为已知常数，通过数学变换，频谱效率的表达式可近似转换为R＝f(θ_i,j)。该技术通过对f(θ_i,j)求导，并且令其导数为零，得到使得频谱效率最大化的最优相位然后，位于(i,j)的元素被量化为其中为量化函数，作用为从离散相位集合中取距离最近的离散相位。基于上述问题转换，该技术中的混合预编码设计流程如下：F_RF初始化为全1矩阵随后，通过循环迭代的方式，逐一更新F_RF(i,j)直至频谱效率收敛至局部最优解。基带数字预编码矩阵通过常规的注水定理法求解得到。

在数模混合预编码设计中，B比特的移相器可提供2^B个相位选择，低比特移相器的移相能力受限。全部使用低精度移相器会导致严重的阵列增益损失，无法达到接近全数字结构的性能。与此同时，移相网络中的移相器数目为RF链路数和天线数目之积，这意味着MIMO通信系统中的移相器数目庞大，所带来的功耗仍然很大。

现有的移相网络结构设计方案中，高精度移相网络能达到接近全数字结构的性能，但同时伴有难以承受的能耗。为了降低移相网络的能耗，往往采用能耗更低的开关或低精度移相器代替高精度移相器。但是，开关和低精度移相器会造成严重的阵列增益损失。