[發明專利]低分辨率毫米波大規模MIMO混合預編碼系統和方法

有效

• 申請號: 201810151431.6
• 申請日: 2018-02-14
• 公開（公告）號: CN108712196B
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 章嘉懿;張運良
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: H04B7/0413
• 分類號: H04B7/0413;H04B7/0456
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 付生輝;毛唯鳴

本發明公開了一種低分辨率毫米波大規模MIMO混合預編碼系統，包括：發射機和接收機，其中所述發射機通過數字預編碼器對發射信號進行數字預編碼，經發送量化模塊轉換為低分辨率數字信號，再通過低分辨率DAC芯片轉換為模擬信號，經射頻鏈上變頻后通過模擬預編碼器進行模擬預編碼，最后經發射天線發送；所述接收機通過接收天線接收接收信號，經模擬合并模塊進行模擬合并，經射頻鏈下變頻后通過低分辨率ADC芯片轉換為數字信號，通過接收量化模塊轉換為高分辨率數字信號，最后通過數字合并模塊進行數字解調。本發明在保證系統性能損失在合理范圍下配置了低分辨率的DAC和ADC芯片，并有效降低系統功耗、成本和復雜度。

技術領域

本發明涉及無線通信領域，特別是涉及一種適用于低分辨率毫米波大規模MIMO混合預編碼系統和方法。

背景技術

毫米波大規模MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)通信技術是支撐5G(5thGeneration communication system，5G)的通信關鍵技術。毫米波大規模MIMO系統通常部署成百上千根天線，若再配置價格昂貴的高精度的DAC(Digital to Analog Converter，DAC)和ADC(Analog to Digital Converter，ADC)芯片，并且采用全數字射頻鏈路架構勢必導致射頻功率開銷大，信號處理復雜度高的問題。5G采用大規模MIMO技術。收發信機通過配置大規模的天線，在時域和頻域資源內利用大規模天線的空分復用成倍地提升頻譜效率，增強信號的網絡覆蓋范圍和系統的容量，大規模MIMO技術通過依托現有的網絡，可以成倍地提升網絡用戶的接入速率以及網絡的整體容量。

5G采用毫米波通信技術。毫米波通信技術將用在高低頻混合組網和鏈路回傳。毫米波通信的一優勢是毫米波頻段有大量的、可用的和非授權的頻譜而且比傳統的低頻段如，4G(4th Generation communication system，4G)無線通信頻段，具有更大的帶寬。毫米波通信的另一優勢是毫米波波長處在毫米單位段，使用較小的天線尺寸(波長的一半)和天線間隔(波長的一半)，使得幾十根天線可被放置在1cm²內，從而使基站和終端側均可在相對較小的空間里獲得較大的波束賦形增益。

5G采用毫米波大規模通信技術。毫米波通信技術和大規模MIMO技術都能分別大幅度提高無線通信的系統容量。在未來5G移動通信系統中，將這兩種技術相結合是非常自然的，因為現有的移動通信工作頻段主要集中在6GHz以下，使得頻譜資源非常擁擠，而在毫米波頻段(30GHz-300GHz)可用的頻譜資源豐富，能夠有效緩解目前低頻段信號頻譜十分擁擠的現狀，可以實現極高速的通信，并支持5G傳輸速率和容量等方面的需求。此外，毫米波頻段的信號具有更短的波長，可以減少大規模天線之間的間距，十分有利用大規模天線的部署，從而提供更顯著的波束賦形增益和復用增益。因此，在未來5G移動通信系統中采用毫米波大規模MIMO技術以大幅提高通信系統容量頗有潛力。

雖然理論上已證明毫米波大規模MIMO技術可以將頻譜效率提高數個量級，但毫米波大規模MIMO技術在實用化過程中仍面臨諸多挑戰。首先，射頻天線設計的難度明顯增大，天線間急劇增加的復雜干擾使得基帶信號更加難以處理等等。其次，對于大規模MIMO系統，基站側部署的大規模天線陣列，通常每根天線都連接一個專門的射頻鏈路，這個射頻鏈路包含模數轉換器或數模轉換器、調制解調器、混頻器、功率放大器等。傳統的低頻通信系統中，這些器件已發展的較為成熟。但在大規模MIMO通信系統中，這些器件會在功耗、芯片尺寸和信號處理算法等方面帶來全新的挑戰。雖然目前的高頻段芯片封裝技術已經極大地降低了電子電路成本，但是較高的功耗仍然是限制毫米波通信的主要瓶頸之一。比如，ADC(或DAC)通過采樣、量化將射頻信號轉化為數字基帶信號，其能量消耗通常與其分辨率成指數關系。目前的商用級高速(5G Sample/s)高精度(8-12比特)ADC(或DAC)的功耗大概是500mw。這意味著128根大規模天線系統中每根天線若配備兩個ADC(或DAC)(I/Q兩路)，僅射頻鏈路的功耗就將高達128W。