[发明专利]一种用于大规模MIMO波束形成的不规则拼接子阵架构

说明书

本发明公开了一种基于不规则拼接子阵架构的MIMO通信系统，可以用于全数字波束成形和混合数字波束成形。每一条射频链路通过一个功分器连接两个相邻的天线单元，可以大幅减少射频链路的数量。在设计过程中，首先以MIMO信道容量为优化目标优化不规则子阵阵列排布，得到最优的阵列拓扑结构后，再以频谱效率最大化为目标设计预编码和解码矢量。本发明最大的创新性在于，在射频链路的数目不变的情况下，不规则子阵架构通过增大天线阵列的口径面积提高MIMO信道容量，最终实现频谱效率的提高。

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及到不规则子阵排列的优化方法，提出了一种用于全数字波束成形和数字模拟混合波束成形的低成本MIMO通信架构，在大幅减少射频链路的情况下，实现MIMO系统的高信道容量和高信噪比特性。

背景技术

大规模MIMO系统能够实现高传输速率和高信噪比，在第五代移动通信系统中得到了广泛的应用，但同时由于每一个天线单元都需要连接一个射频链路，大大增加MIMO系统的制造成本，同时射频链路中的高精度模数/数模转换器(ADC/DAC)在毫米波频段功耗巨大。当前在分集增益已逼近极限的情况下，增大MIMO的信道增益成为提高通信系统传输速率的一个主要手段。近年来，非均匀阵列成为提高MIMO信道增益的一种方法，CN107004955A通过将MIMO天线中的阵列单元进行非均匀排布，使得天线的口径增益增大，最终实现MIMO基站覆盖区域的扩大。但是，由于阵列单元的非均匀排布使得阵元间互耦的影响难以预计，在设计天线阵列时难度较大，最终导致MIMO传输速率的效果并不明显。专利号为CN108808266A提出了一种不规则拼接的方法进行阵列布阵，可以实现天线的高增益特性，但是其优化算法主要优化的是天线的副瓣和增益指标，并没有考虑在系统层面的传输速率、信噪比等指标。

发明内容

鉴于上述技术背景，本发明提出了一种基于不规则拼接子阵的MIMO阵排布优化方法，目的在于相比于已经存在的优化技术，本发明的优化目标主要基于系统层面的传输速率、信噪比等指标的提高

本发明具有以下内容：

专利号为CN108808266A已经提到可以采用通过优化阵列信息熵来实现降低不规则子阵扫描时的栅瓣，但是没有考虑到MIMO系统传输速率的问题。对于MIMO系统的传输速率，除了与阵列排布的单元位置有关，还与MIMO系统的预编码和解码相关。由于预编码矢量和解码矢量涉及到复杂的波束成形算法，因此需要将预编码矢量和解码矢量与阵列排布变量分别进行设计，因此本专利提出的优化方法分为两步，第一步通过基于遗传算法的整数规划模型对阵列排布变量进行优化，以信道容量最大化为优化目标，第二步根据已经得到的阵列排布，利用现有的波束成形算法对预编码矢量和组合接收矢量进行优化，最终实现传输速率的最大化。

根据不同的应用场景，本专利分别提出了基于不规则拼接子阵的全数字波束成形架构(如图1所示)和基于不规则拼接子阵的混合波束成形架构(如图2所示)。如图1所示，每一个射频链路通过一个功分器连接两个相邻的天线单元(如图3所示)，相比与传统的全数字波束成形架构，基于不规则拼接子阵的全数字波束成形架构减少了一半的射频链路数量。对于混合波束成形架构也类似，每一个模拟移相器通过一个功分器连接两个天线，因此相比于传统的混合波束成形架构，基于不规则拼接子阵的混合波束成形架构也减少了一半的射频链路数量。

考虑一个点对点的MIMO通信系统，基站配置N_t个天线单元组成的面阵，发送N_s路独立数据流，用户侧配置N_r个天线单元组成的面阵，假设基站已知其与用户间的信道矩阵为

其中N_cl为散射簇数目，N_ray为每个散射簇的散射与反射径数，α_ij为第i簇中第j径的路径增益，为归一化发射端信道响应向量，其表达式为