[發明專利]一種基于上行訓練的數模混合波束賦形方法

有效

• 申請號: 201710469364.8
• 申請日: 2017-06-20
• 公開（公告）號: CN107294590B
• 公開（公告）日: 2020-08-28
• 發明（設計）人: 方舒;王勇;蘆濱雁;蘆程昱
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H04B7/08
• 分類號: H04B7/08;H04B7/0426;H04B7/06
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 孫一峰

本發明屬于無線通信技術領域，涉及一種基于上行訓練的數模混合波束賦形方法。本發明的方法主要為：用戶端發送一定長度的訓練序列，基站端接收經過自由空間傳播和噪聲干擾的訓練信號，形成對訓練序列的最優估計，通過假設BS已知訓練序列，建立目標函數，其解即為最佳的波束賦形矩陣。利用上下行自由空間傳播信道的互易性，可將上行訓練解出的最佳波束賦形矩陣視為下行傳輸的最佳波束賦形矩陣，再通過矩陣分解即可得到模擬域和數字域的波束賦形矩陣。本發明提出的技術方案，在模擬域消除一定的干擾，利用和改進了正交匹配追蹤的思想，在碼本集合中搜索出模擬域波束賦形矩陣，最后通過最小二乘法即可解得數字域波束賦形矩陣。

技術領域

本發明屬于無線通信技術領域，涉及一種基于上行訓練的數模混合波束賦形方法。

背景技術

毫米波(millimeter wave，mmWave)通信技術已經成為5G無線通信領域新的研究關鍵技術，在毫米波段存在大量未被利用的頻段，為進一步提升系統容量提供了極大的潛在性。并且由于波長較小，能夠將大量的天線陣元以較小的物理形式封裝，使其在大規模多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)系統中具有完美適應性。大規模天線陣列能提供足夠的賦形增益來克服毫米波通信中較高的路徑損耗，實現較好的鏈路性能。因此，毫米波大規模MIMO系統將受到5G研究越來越多的關注。

對于傳統的MIMO系統，近年來有許多數字波束賦形的方法被提出，但是應用場景多限于較少的天線數，以此保證能夠充分利用信道的自由度，從而傳輸多流數據。在全數字波束賦形的結構中，每個天線陣元都對應一條專門的射頻(radio frequency，RF)鏈。對于大規模天線陣列的情形，所需的RF鏈數是巨大的，從而急劇地增加了系統的復雜度、硬件代價和功耗。顯然，全數字波束賦形的結構在大規模天線陣列的場景下是不適用的。因此，混合波束賦形(Hybrid Beamforming，HB)技術作為性能和代價之間的一種折中，在大規模MIMO的場景下具有較高的實用前景。混合波束賦形指在傳統的數字域波束賦形基礎上，在靠近天線的前端的射頻信號上增加模擬域波束賦形，兩者之間通過少量的RF鏈連接，可以大大降低系統復雜度，模擬域波束賦形能消除一定的干擾，并在基帶的數字域做進一步處理，消除殘余干擾，從而保證傳輸質量。

MIMO技術中，獲得的信道狀態信息精度將直接決定預編碼的精度與調度算法的效能，從而影響到整體系統性能。在現有的大規模MIMO系統中，根據如何獲取波束賦形的權值向量，常用的毫米波混合波束賦形技術主要分成兩類：第一類是基于碼本搜索的混合波束賦形，一般來說，這類方法的碼本是針對模擬域波束賦形設計的，目的是為了降低天線陣列實現的硬件復雜度，犧牲了一定的系統性能。通過在預先給定的碼本集合中，基于某種優化性能的搜索準則進行迭代搜索，找到最優的模擬波束賦形矩陣，然后利用傳統的預編碼技術對等效信道進行處理得到數字域波束賦形矩陣，從而完成混合波束賦形的設計；第二類是基于信道矩陣分解的混合波束賦形，一般會假設完美的信道狀態信息(Channel StateInformation，CSI)，并考慮模擬域和數字域波束賦形的聯合設計。首先通過對信道矩陣進行分解(奇異值、特征值、QR等等)，根據矩陣分析的知識，求得最優的聯合波束賦形矩陣。根據波束賦形器結構和優化的系統性能目標，將最優的聯合波束賦形矩陣分解成為模擬域和數字域波束賦形矩陣，建立優化函數，加入約束條件，從而形成一個有約束的最優化問題。