[發(fā)明專利]一種適用于無線通信公共信道的數(shù)模混合波束成形方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710247572.3
• 申請(qǐng)日: 2017-04-17
• 公開（公告）號(hào): CN106972876B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃永明;張鋮;姜波兒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): H04B7/0413
• 分類號(hào): H04B7/0413;H04B7/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 孟紅梅

本發(fā)明針對(duì)大規(guī)模MIMO無線通信系統(tǒng)中的具有任意扇區(qū)大小的公共信道，提出了一種高功率效率的數(shù)字/模擬混合波束成形方法，在保證扇區(qū)內(nèi)所有用戶服務(wù)質(zhì)量(QoS)的同時(shí)最小化傳輸功率并提高功放效率。首先通過帕塞瓦爾等式推導(dǎo)出最優(yōu)的理想波束方向圖。然后，以此為目標(biāo)，使用凸優(yōu)化技術(shù)并利用波束方向圖和有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器響應(yīng)之間的聯(lián)系，挖掘波束方向圖參數(shù)之間的內(nèi)在折中關(guān)系，進(jìn)而獲得接近理想波束方向圖的全數(shù)字高功效波束成形矢量。最后，利用等波束方向圖原理搜索獲得具有相同波束方向圖但峰均比(PAPR)最低的波束成形矢量，并基于三角構(gòu)造定理提出數(shù)字/模擬混合預(yù)編碼構(gòu)架下的低復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種用于大規(guī)模MIMO無線通信系統(tǒng)公共信道下的功率高效混合波束成形方法，具體是一種針對(duì)任意扇區(qū)大小，基于凸優(yōu)化、濾波器設(shè)計(jì)原理、等波束方向圖理論和幾何三角構(gòu)造原理的高功效混合波束成形方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的背景下，多用戶波束成形作為專用信道的傳輸方案已經(jīng)被大量研究，但針對(duì)公共信道的研究則較為缺乏。公共信道主要用于廣播重要的同步/參考/控制信號(hào)。由于公共信道需要服務(wù)于扇區(qū)內(nèi)具有任意位置的所有用戶，所以傳輸設(shè)計(jì)通常基于基站(Base Station，BS)端沒有用戶信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)的假設(shè)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)大規(guī)模MIMO收發(fā)機(jī)時(shí)，兩種在實(shí)際系統(tǒng)中需要考慮的重要因素分別如下。第一，由于射頻(Radio Frequency，RF)硬件成本高，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中為每根天線配置基帶和射頻硬件難以實(shí)現(xiàn)。混合架構(gòu)能夠保證在射頻鏈個(gè)數(shù)小于天線數(shù)的情況下有較小或無性能損失。第二，5G通信對(duì)高能效的需求使得低發(fā)射功率以及天線功放(PA)的高效率成為大規(guī)模MIMO系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要準(zhǔn)則。

雖然針對(duì)公共信道的傳輸設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)中已有研究，但他們多數(shù)并不適合大規(guī)模MIMO系統(tǒng)。在目前已有的大規(guī)模MIMO公共信道傳輸方案設(shè)計(jì)中，部分研究利用大規(guī)模近似，將信道方向簡(jiǎn)化為離散傅里葉變換的頻率采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的角度值，基于此方法使用Zadoff-Chu(ZC)序列設(shè)計(jì)全向預(yù)編碼，能夠?qū)崿F(xiàn)上述離散角度方向上的等信號(hào)功率。該方案在其波束結(jié)構(gòu)下，能夠針對(duì)任意相關(guān)信道漸近達(dá)到和速率上界以及中斷概率下界。然而針對(duì)具有有限天線數(shù)的實(shí)際系統(tǒng)，等同于天線個(gè)數(shù)的離散角度數(shù)量相對(duì)不足，導(dǎo)致扇區(qū)范圍內(nèi)大量角度區(qū)間的性能退化。此外，該方案只適用于具有非混疊角度的扇區(qū)，例如，當(dāng)天線間隔波長(zhǎng)比為0.5時(shí)，只適用于[-90°，+90°]扇區(qū)，這使得ZC方案不能應(yīng)用于具有任意扇區(qū)大小的場(chǎng)景，無法滿足5G通信中依據(jù)流量要求進(jìn)行自適應(yīng)扇區(qū)劃分的需求。

目前也有其他研究采用了等波束方向圖定理，在給定參考波束方向圖的前提下，可實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)波束成形矢量峰均比(PAPR)的改善。然而，該方案仍只適用于[-90°，+90°]扇區(qū)，而且在離散采樣角度數(shù)量超過天線數(shù)的兩倍時(shí)會(huì)出現(xiàn)性能退化。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為了解決具有任意大小扇區(qū)的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)公共信道中的波束成形問題，本發(fā)明提出了一種適用于任意扇區(qū)大小的數(shù)模混合波束成形方法。基于最小化發(fā)送功率的基本目標(biāo)確定了功率高效混合波束成形問題，以實(shí)現(xiàn)全扇區(qū)服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證。利用推導(dǎo)出的理想波束方向圖，降低了問題處理的復(fù)雜度。利用波束方向圖和有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器響應(yīng)之間的聯(lián)系，采用半正定規(guī)劃來折衷波束方向圖參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系，進(jìn)而獲得一個(gè)接近理想波束方向圖的全數(shù)字功率高效波束成形矢量。最終利用等波束方向圖和三角構(gòu)造定理，獲得一個(gè)具有高性能波束方向圖且PAPR最低的波束成形矢量，并使其能夠完成在數(shù)字/模擬混合預(yù)編碼構(gòu)架下的無損實(shí)現(xiàn)。

為了更清楚的理解本發(fā)明內(nèi)容，首先介紹本發(fā)明所采用的系統(tǒng)模型：對(duì)于一個(gè)具有M根天線的基站(BS)，假設(shè)實(shí)際混合結(jié)構(gòu)中有N_RF個(gè)射頻鏈路，公共信道中的目標(biāo)用戶隨機(jī)分布在角度區(qū)間為的扇區(qū)中。公共信道的傳輸模型，即在觀測(cè)用戶端的接收信號(hào)為