[发明专利]基于组合分辨率移相器的毫米波大规模阵列波束成形系统

说明书

本发明提供了一种基于组合分辨率移相器的毫米波大规模阵列波束成形系统，包括数字预编码器、模拟预编码器、射频链路、天线，所述数字预编码器输入端接数据流，所述数字预编码器输出端分别通过所述射频链路与所述模拟预编码器相连，所述模拟预编码器与所述天线相连。本发明的有益效果是：1.本发明的毫米波大规模阵列波束成形系统用于解决混合波束成形硬件结构中的模拟部分所需高分辨率移相器个数较多导致的功耗较大、硬件成本高昂，以及所产生波束主瓣增益不够平坦、下降沿不够尖锐的问题；2.本发明的毫米波大规模阵列波束成形系统相比于传统的单分辨率移相器混合波束成形结构，能够极大降低系统功耗和硬件开销。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域中的毫米波大规模通信系统，尤其涉及一种基于组合分辨率移相器的毫米波大规模阵列波束成形系统。

背景技术

毫米波通信系统中由于工作频率较高，通常需要使用大规模阵列产生指向性较强的波束以对抗相应的频率衰弱。此大规模阵列一般使用几百至上千个天线组成阵列，使用全数字器件组成波束成形器所需硬件成本及功耗都是难以接受的。因此目前大多数毫米波大规模阵列通信系统均采用混合波束成形，使用一个由模拟波束成形器和数字波束成形器通过射频链路进行级联的形式。当前已有的模拟波束成形结构，对于每一条射频链路而言，需要为每一个天线连接一个高分辨率的移相器以实现较高的波束调节自由度。

在实际系统进行波束成形的过程中，由于天线个数较多，使得信道矩阵的维度较大，直接根据信道矩阵估计值进行自适应波束成形需要对一个大维度矩阵进行奇异值或特征值分解，所需计算量极大，且对信道估计误差非常敏感，因此并不实际。目前实际系统及行业标准中，通常使用一种基于码本的工作策略，即将所有天线的移相器相位值组成一个波束成形向量，称为码字。然后根据移相器的分辨率限制及所需波束的方向图形态要求，设计所需的码字。所有设计好的码字组成一个集合，称为码本。在进行波束成形时，只需在码本中搜索，查找出最适合系统波束成形目标要求的码字，然后将码字中的相位值应用于对应的移相器上即实现了波束成形。

目前典型的毫米波大规模阵列通常采用数字-模拟混合波束成形结构，数字与模拟部分通过射频链路连接。对于一条射频链路而言，它同时与所有的天线相连接，与每个天线之间的连接通过移相器改变信号的相位以实现模拟波束成形。由于大规模阵列所产生的波束比较尖锐，因此通常需要使用高分辨率的移相器以增加波束设计的自由度。考虑到目前大规模阵列中的天线个数往往在几百至上千，这种传统结构也需要与天线个数相同的高分辨率移相器，导致其整体的功耗大幅度增加。以3比特精度的移相器为例，其相位分辨率为11°左右，基本能够符合含有256个天线的大规模阵列所需波束设计自由度的要求，但其单个功耗在25瓦特左右，因此仅移相器一项功耗就已经达到6.4千瓦。另外从硬件成本方面来看，目前国际市场上主流产品的单价在50美元左右，移相器部分的硬件总成本将高达1.28万美元。因此使用一个高分辨率移相器连接每个天线的传统混合波束成形结构，在功耗和硬件成本两方面都具有一定的局限性。

另一方面，从码字设计的角度而言，由于移相器只能改变信号的相位，不能改变信号的幅度，因此其对应的码字设计问题的约束条件是码字中的每个元素幅度均恒定为1。对于码字设计的优化问题而言，此种约束是一个典型的非凸约束，不能在多项式时间复杂度内求得闭合解。虽然由于移相器的精度有限，理论上可以进行穷举式搜索，但是由于移相器的精度较高且阵列含有天线个数较多，穷举式搜索所需计算复杂度非常高。以上述256天线，3比特分辨率移相器系统为例，其任意码字的可能相位值组合高达2768种，因此实际上无法进行穷举式搜索。目前已有的方法，通常需要对此问题进行半正定松弛，然后借助辅助变量进行求解。此类方法一方面对约束条件进行了松弛，不能保证结果的最优性，另一方面辅助变量的引入也需要一定的经验估计值以提升算法的收敛性。因此，现阶段广泛采用的有关松弛算法，受制于移相器的固定幅度限制，在结果最优性和计算复杂度上仍然具有一定的不足。

发明内容