[發明專利]混合波束成形多天線無線系統

有效

• 申請號: 201680021812.1
• 申請日: 2016-04-12
• 公開（公告）號: CN107836089B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 梁平;朱登魁;李博宇
• 申請（專利權）人: 梁平
• 主分類號: H04B7/204
• 分類號: H04B7/204
• 代理公司: 北京市正見永申律師事務所 11497
• 代理人: 黃小臨

本發明提出用于MU?MIMO無線通信系統的方法，MU?MIMO無線通信系統包括：BS，其具有放置為線性陣列或平面陣列的多個天線；多個UE，用于在BS處進行兩級信號處理，以減少系統實現復雜度(即RF預編碼/組合和基帶預編碼/檢測)；BS獲得每個UE的信道矩陣的二階統計信息，以通過比BS處的收發天線的導頻遠更少的數量的導頻計算RF預編碼矩陣，其中，可以通過上行鏈路基準信號或下行鏈路基準信號加上上行鏈路反饋獲得信道矩陣的二階統計信息。

本申請要求2015年4月15日提交的美國臨時專利申請No.62/148,089的權益。

技術領域

本專利的領域是多天線無線通信系統。

本發明總體上涉及多入多出(MIMO)無線通信網絡或系統，更具體地說，用于基于部分地測量的信道狀態信息(CSI)計算模擬波束成形矩陣和基帶預編碼/檢測矩陣的新穎方法以及用于實現該方法的裝置和系統。

背景技術

在[1]中首先介紹了大規模多入多出(MIMO)或大型MIMO系統，其中，每個基站(BS)裝配有幾十至幾百個天線，以在相同時間-頻率資源中通過多用戶MIMO(MU-MIMO)同時服務于幾十個用戶。因此，它們可以實現比線性波束成形方法(例如迫零(ZF)，其可以實現非常接近信道容量的性能)的傳統MU-MIMO系統顯著更高的空間復用增益，并且已經引起來自學術界和工業界的極大興趣([1]-[3])。此外，大規模MIMO視為用于第5代(5G)無線通信系統的最有前途的技術之一，并且已經包括于最新第3代伙伴項目(3GPP)長期演進(LTE)標準發行版13中([4])，其中，其稱為全維(FD)MIMO。

無論優點如何，對于將大規模MIMO應用于實際系統，仍存在非常艱難的挑戰。為了利用大型天線陣列的增益，采用下行鏈路作為示例，所有天線的信號首先在基帶處受處理(例如，信道估計、預編碼等)，然后在通過數模(D/A)轉換器、混頻器和功率放大器(即射頻(RF)鏈)之后上轉換到載波頻率。RF鏈的輸出然后與天線元件耦合。因此，其在下行鏈路中對于每預編碼單元的ZF預編碼引入巨大的基帶計算復雜度(例如O(N_tK²))，其中，N_t和K分別是BS處的天線的數量和每MU-MIMO群組的用戶的數量。此外，每個天線元件需要專用RF鏈，當N_t非常大時實質上增加實現成本，并且需要混合信號分量的高功耗，這樣對于數字基帶預編碼可能導致不切實際的高復雜度。另一方面，通過當前電路技術，成本有效可變移相器已經是可用的，這樣使得可能應用僅高維相位RF或模擬處理([5]、[6])。歸因于這些原因，混合波束成形(HB)([7]、[8])得以提出并且被認為是用于解決實際系統中的該問題的有前途的解決方案(例如最新LTE發行版13([4]))，其中，全局波束成形分別分解為基帶數字預編碼/檢測和RF模擬預編碼/組合，從而基帶處的信號維度(即RF鏈的數量)得以減少到比物理天線的數量遠更小的數量。模擬預編碼/組合又稱為天線虛擬化([4])。圖1中示出具有HB的BS發射機的架構。具體地說，第一級數字基帶預編碼2首先處理K×1個基帶發送數據矢量s1，即，x^BB＝W^BBs，其中，W^BB是N_RF×K數字基帶預編碼矩陣，其中，N_RF是RF鏈的數量，x^BB是N_RF×1基帶預編碼發送碼元矢量3,，其中，是x^BB中的第i元素。然后，在x^BB傳遞通過這N_RF個RF鏈4之后，應用第二級RF模擬預編碼5，即，x^RF＝W^RFx^BB，其中，W^RF是N_t×N_RFRF模擬預編碼矩陣6，其中，θ_ji,i＝1,…,N_RF,j＝1,…,N_t是通常實際上由包括相移器7和求和器8的相移網絡實現的W^RF中的第{j，i}元素，x^RF是N_t×1發送RF碼元矢量9，其中，是x^RF中的第j元素。最后，N_t個天線10發送x^RF。相似地，圖2中示出具有HB的BS接收機的架構。具體地說，設N_t個天線接收到的并且在帶通濾波器(BPF)和低噪聲放大器(LNA)11之后的N_t×1RF碼元矢量是y^RF，其中，是y^RF中的第j元素。首先，通過第一級RF模擬組合13處理y^RF，即，y^BB＝W^RF,Ty^RF，其中，W^RF是圖1中的N_t×N_RFRF模擬組合矩陣，并且y^BB是N_RF個RF鏈接收到的N_RF×1基帶碼元矢量，其中，是y^BB中的第i元素。然后，應用數字基帶檢測15，即，其中，G^BB是K×N_RF數字基帶檢測矩陣，并且是K×1基帶檢測碼元矢量。除了傳統微波商用通信系統之外，HB也已經被認為是用于具有大型天線陣列的毫米波(mm-Wave)通信系統的最有前途的波束成形方法([7]、[8])。