[發(fā)明專利]移相器數(shù)量可變的混合精度移相網(wǎng)絡(luò)及預(yù)編碼方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010912660.2
• 申請(qǐng)日: 2020-09-02
• 公開（公告）號(hào): CN112019247B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 申文倩;馮程昊;卜祥元;安建平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H04B7/0456
• 分類號(hào): H04B7/0456;H04B7/08
• 代理公司: 北京正陽理工知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王民盛

本發(fā)明公開的移相器數(shù)量可變的混合精度移相網(wǎng)絡(luò)及預(yù)編碼方法，涉及多輸入多輸出MIMO通信系統(tǒng)中的預(yù)編碼結(jié)構(gòu)及方法，屬于無線通信領(lǐng)域。移相器數(shù)量可變的混合精度移相網(wǎng)絡(luò)即為預(yù)編碼結(jié)構(gòu)，包括射頻RF鏈路、累加器、天線、連接線，還包括由開關(guān)、高低精度移相器對(duì)、連接線組成的移相網(wǎng)絡(luò)；利用一對(duì)高、低精度移相器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一個(gè)固定精度移相器，通過控制開關(guān)的使能狀態(tài)控制高、低精度移相器對(duì)的使能狀態(tài)和工作精度的高低，從而靈活地配置移相器的數(shù)量與精度。所述適用于移相器數(shù)量可變的混合精度移相網(wǎng)絡(luò)的混合預(yù)編碼方法，通過聯(lián)合優(yōu)化移相器的使能狀態(tài)、工作精度和混合預(yù)編碼矩陣，降低能量開銷的同時(shí)，保證準(zhǔn)最優(yōu)頻譜效率，從而提升系統(tǒng)能量效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及多輸入多輸出MIMO(Multi-input Multi-ouput)通信系統(tǒng)中的預(yù)編碼結(jié)構(gòu)及方法，尤其涉及混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)和混合預(yù)編碼方法，屬于無線通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)

毫米波(300MHz～300GHz)MIMO通信技術(shù)由于其豐富的帶寬資源與較高的頻譜效率被認(rèn)為是第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前毫米波通信由于器件成本高、能耗大等問題尚未得到廣泛的商用，預(yù)計(jì)將在下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中繼續(xù)發(fā)揮重要作用。為了實(shí)現(xiàn)6G的目標(biāo)，基站需要部署大規(guī)模的天線陣列提高頻譜效率與覆蓋范圍，同時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)密度將進(jìn)一步提高以支持海量終端接入。大規(guī)模天線陣列與高密度組網(wǎng)將不可避免地導(dǎo)致能量開銷激增。為此，提高毫米波MIMO通信系統(tǒng)的能量效率是6G的重要挑戰(zhàn)之一。

如圖1(a)所示，在傳統(tǒng)的全數(shù)字MIMO結(jié)構(gòu)中，每一根發(fā)射天線都需要配備一個(gè)專有的射頻鏈路(包括低噪放、混頻器、高速模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器等)，對(duì)于配置成百上千根天線的毫米波MIMO通信系統(tǒng)來說(比如256根天線，甚至1024根天線)，數(shù)量龐大的射頻鏈路導(dǎo)致的能耗與成本是難以承受的。圖1(b)所示的數(shù)模混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是減少射頻鏈路數(shù)量的一個(gè)有效解決方法。在信號(hào)發(fā)射端，基帶信號(hào)先經(jīng)過一個(gè)低維數(shù)字信號(hào)處理器完成數(shù)字預(yù)編碼，隨后經(jīng)過能耗較低的移相網(wǎng)絡(luò)完成模擬預(yù)編碼。為達(dá)到接近全數(shù)字結(jié)構(gòu)的頻譜效率，完成模擬預(yù)編碼的移相網(wǎng)絡(luò)需要使用數(shù)量龐大的高精度移相器，其數(shù)量為天線數(shù)與射頻鏈路數(shù)的乘積。現(xiàn)有文獻(xiàn)資料顯示：精度為5比特的移相器能耗高達(dá)100mW，4比特移相器能耗大于45mW。因此，模擬移相網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量龐大的高精度移相器所帶來的高能耗、高成本成為制約毫米波MIMO通信技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸問題之一。

針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)MIMO系統(tǒng)和多用戶MISO系統(tǒng)，現(xiàn)有技術(shù)方案采用低精度的移相器完成混合預(yù)編碼，給出了對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)最優(yōu)混合預(yù)編碼方案。該技術(shù)在設(shè)計(jì)過程中對(duì)模擬預(yù)編碼矩陣元素進(jìn)行低精度量化。具體來說，模擬預(yù)編碼矩陣F_RF中位于(i,j)的每一個(gè)元素相位θ_i,j被視為變量，其他元素以及信道狀態(tài)信息被視為已知常數(shù)，通過數(shù)學(xué)變換，頻譜效率的表達(dá)式可近似轉(zhuǎn)換為R＝f(θ_i,j)。該技術(shù)通過對(duì)f(θ_i,j)求導(dǎo)，并且令其導(dǎo)數(shù)為零，得到使得頻譜效率最大化的最優(yōu)相位然后，位于(i,j)的元素被量化為其中為量化函數(shù)，作用為從離散相位集合中取距離最近的離散相位?；谏鲜鰡栴}轉(zhuǎn)換，該技術(shù)中的混合預(yù)編碼設(shè)計(jì)流程如下：F_RF初始化為全1矩陣隨后，通過循環(huán)迭代的方式，逐一更新F_RF(i,j)直至頻譜效率收斂至局部最優(yōu)解?；鶐?shù)字預(yù)編碼矩陣通過常規(guī)的注水定理法求解得到。

在數(shù)模混合預(yù)編碼設(shè)計(jì)中，B比特的移相器可提供2^B個(gè)相位選擇，低比特移相器的移相能力受限。全部使用低精度移相器會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的陣列增益損失，無法達(dá)到接近全數(shù)字結(jié)構(gòu)的性能。與此同時(shí)，移相網(wǎng)絡(luò)中的移相器數(shù)目為RF鏈路數(shù)和天線數(shù)目之積，這意味著MIMO通信系統(tǒng)中的移相器數(shù)目龐大，所帶來的功耗仍然很大。

現(xiàn)有的移相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，高精度移相網(wǎng)絡(luò)能達(dá)到接近全數(shù)字結(jié)構(gòu)的性能，但同時(shí)伴有難以承受的能耗。為了降低移相網(wǎng)絡(luò)的能耗，往往采用能耗更低的開關(guān)或低精度移相器代替高精度移相器。但是，開關(guān)和低精度移相器會(huì)造成嚴(yán)重的陣列增益損失。