毫米波通信链路多波束赋形方法及装置与流程

本发明涉及毫米波无线传输技术领域，特别是涉及一种毫米波通信链路多波束赋形方法及装置。

背景技术：

波束赋形技术是指采用特定的算法加权调整各个天线阵元发送信号的幅度值和相位值，以实现特定的阵列天线方向图来满足应用需求。把仅在射频或中频实现的波束赋形称为模拟波束赋形，把仅在数字基带实现的波束赋形称为数字波束赋形，而在数字基带部分完成阵元调幅、在射频部分完成阵元调相称为混合模拟数字波束赋形。波束赋形技术最初应用于雷达、声纳、军事通信中的波束扫描、目标发现和跟踪、空间滤波和抗干扰等功能。

20世纪30年代已经提出相控阵天线的概念，其后的几十年间波束赋形技术获得充足发展，同时固态大功率器件出现(如GaAs、GaN、SiC)工作带宽和功率大幅增大，各种无源和有源的相控阵雷达广泛应用到军事领域，例如：弹道导弹等高速进攻性武器的防御、空间各种军事卫星的探测，空域内的目标搜索和高分辨率测向，作为武器配套的机载无源相控阵火控雷达和舰载雷达。

90年代，随着DSP数字信号处理芯片的处理能力飞速提高和价格下降，使得利用数字信号处理方法在基带进行波束赋形进一步成为可能，因此自适应阵列天线开始应用于无线通信系统，成为抗干扰和扩容的有效手段。由于移动通信中存在多种干扰，例如，互调干扰、邻道干扰、同频干扰和多径衰落，而自适应阵列天线可实时自适应产生具备特定指标的空间定向波束，将波束主瓣对准移动台(MS)而将旁瓣或者零点对准干扰方向，因而能降低干扰提高增益。阵列天线可以实现空分多址(SDMA)，在传统的频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)之外进一步提高频谱利用率。

自适应阵列天线其波束赋形技术除了采用自适应算法，还可由固定码本波束切换技术。即在基站预先设定好有限多个波束赋形权值矢量，称为码本，每个波束赋形矢量能对应产生一个波束方向图(枚举这些方向图应可以离散地扫描整个空间)。当用户在移动时，根据接收到的用户信号，按照一定的准则(比如接收信号强度)，从码本集中选择最优码本优化波束的方向图。当用户移动至固定相邻波束的边缘地带时，用户信号弱接收效果差，因此固定码本波束切换并不总能实现信号的最佳接收，但是具有无需判断上行波达角(DOA)和无需复杂自适应算法等优点可降低基站实时处理压力。

由于波束赋形技术的众多优点，三大3G标准均支持智能天线技术，WiMAX也支持自适应天线系统(AAS，AdaptiveAntenna System)技术，而4G LTE更是在其R8版本在TM7以专用导频为基础规定了的基于端口5的单流波束赋形方案，在其R9版本在TM8定义了基于新端口7和新端口8的双流波束赋形技术(Dual-BF)，将空分复用技术和波束赋形技术结合起来。

随着对无线移动通信带宽和速率的要求和传统3GHz以下蜂窝移动频谱资源日益紧张，毫米波频段3-300GHz对应波长1mm-100mm日益受到关注(其中3-30GHz的电磁波称为超高频(SHF)，30-300GHz的电磁波称为特高频(EHF)，EHF的波长范围1mm-10mm)。毫米波技术和Massive-MIMO技术都被认为是未来5G的关键技术的一部分，许多国家也逐步开通了60GHz频谱附近、7GHz左右的完整不间断的频谱资源。毫米波有诸多优点：可利用频谱宽(有多个大气频谱窗口可用于陆地移动通信，多个大气吸收峰可用于保密通信和降低区间干扰提高小区频率复用)，波长短便于运用Massive-MIMO和系统集成，类光性传输特性波束窄抗干扰强。尤其是E波段(71-76GHz，81-86GHz)波束窄、定向性好，非常适合于发展高速点对点无线局域网，移动回传链路以及宽带接入，然而路径传播损耗大(60GHz频段的氧气吸收峰值附近损耗达15dB/Km)、障碍物衰减显著、降雨衰减严重，导致远距离NLOS(Non-Line ofSight)条件下传输困难，因此需要更大的天线增益来提供增益裕度，相比分集技术、多跳路由，波束赋形技术通过形成定向窄波束不仅能提升天线阵列增益同时能减少信号互扰，是提升毫米波通信系统性能必不可少的关键技术。

现有的毫米波束赋形技术主要有如下几种，但均有一定的缺陷和不足：

a).经典的方向图综合技术；

方向图综合技术适用于相控阵雷达，即只考虑发送端的波束赋形和接收端的阵列信号处理(发送端和接收端往往是相同的阵列天线)，这种条件下，目标只有一个点，用以反射回波。通过给每个天线不同的幅度值和相位值激烈，使得空间不用角度的接收信号的叠加场强不同，从而形成特定的方向图。

经典方向图综合方法适用于以下几种情况：(1)仅给定预期方向图的主瓣宽度和副瓣电平。(2)给定预期方向图形状和可接受的误差范围，误差指标可能是均方误差、最大误差等。(3)给定预期方向图和已知方向图，要求通过微调参数使得已知方向图逼近预期方向图(微扰法)。

经典方向图综合方法有：伍德沃德综合法、切比雪夫综合法、泰勒综合法、傅立叶变换法、微扰法、加权最小二乘法等。例如：伍德沃德-劳森(Woodward-Lawson)综合法先对预期方向图在离散位置上抽样，分为连续线源天线和离散线阵两种情况。

主要缺陷：1)不适用。由于是要对空间目标进行测向、定位和跟踪，决定了是以发送方向图和接收方向图为导向，往往割裂处理，并且有预期的方向图作为波束赋形的目标。而对于通信而言，目标完全不同，要实现传输信号增益最大化，发射机、信道和接收机三者是综合考虑的，而且没有预定的方向图可用。2)而且，采样方法不一定会实现对预期方向图很好的逼近。

b).基于随机算法的方向图综合技术；

与基于采样的经典方向图综合方法不同的是，这种技术采用随机算法(例如：遗传算法)和逐层规划的思路得到符合任意空间区域方向性增益覆盖要求的结果，即预定方向图。将遗传算法与BFGS算法结合形成混合遗传算法，降低搜索空间、减少计算量、提高收敛速度。可以解决某些特殊的预期方向图(比如：卫星下的球面覆盖方向图)的实现问题。

主要缺陷：1)不适用，不仅因为没有预期的方向图可用，而且，对于发射机在搜索过程中得到的任意一个解，接收机也需要搜索出一个较好的对应解，而对于搜索过程中的每一个临时解都需要收发双方进行信号传输来验证其增益。所需的导频通信资源开销巨大，会造成严重时延。

c).基于码本的波束赋形技术；

目前三大国际标准ECMA387、IEEE802.15.3c和IEEE802.11ad皆采用了基于码本的波束赋形技术来弥补通信链路之间的高路径损耗。在已定义好的波束码本中，从扇区到波束再到精细波束，逐级进行波束训练，直到收发双发均确定了最优匹配的波束码本为止。

主要缺陷：难以实现最优波束赋形。由于波束码本是预先定义好的，因此，收发双发所能采用的波束赋形矢量只能在码本中选取，即所形成的波束只有有限种选择，无法保证找到的波束赋形矢量是针对当前信道的最优波束赋形矢量。

d).基于信道矩阵SVD分解的波束赋形技术；

在获取当前信道状态信息(CSI)之后，可以对信道矩阵进行奇异值分解(SVD)，得到发射机和接收机的最优波束赋形矢量，在排除噪声干扰下，可实现最优波束赋形。

主要缺陷：1)当天线数比较多时(比如：Massive MIMO)，信道矩阵要完全估计出来要占用很大的时延开销，而且在时变信道下要使得通信双发均获取完全的CSI几乎不现实。2)传统的SVD计算方法会计算复杂度高，需要大量硬件资源。

e).迭代波束赋形技术；

为了克服基于传统SVD的波束赋形的存储开销和计算开销，迭代波束赋形技术在发射机和接收机之间迭代发送训练序列(从某个初始随机矢量出发)，直至渐近逼近信道矩阵的最大奇异矢量，直接估计信道矩阵的最大奇异矢量。

主要缺陷：1)无法克服噪声的影响，尤其是在低噪声条件下，噪声会严重削减波束赋形增益。2)无法跟踪时变信道(多径时延和多普勒频移)。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种毫米波通信链路多波束赋形方法及装置，能够提高毫米波通信束赋形增益。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种毫米波通信链路多波束赋形方法，包括以下步骤：

(1)根据导频对信道协方差矩阵进行估计；

(2)根据信道协方差矩阵估计将信道矩阵奇异矢量的估计作为发射机和接收机波束赋形矢量，得到波束赋形增益。

所述步骤(1)采用随机矢量往返收发的方法进行信道协方差矩阵估计。

所述步骤(1)具体为：在第i个导频码元持续时间内，选取随机矢量作为发送波束赋形矢量，波束赋形矢量从发送端到接收端共轭归一化之后将得到的列矢量pⁱ再发回发送端，发送端根据列矢量pⁱ得到一个的矩阵；再选取随机矢量进行发送，得到一个的矩阵，重复N次后将所有的的矩阵累加然后取平均，再减去发送端的噪声协方差矩阵估计即可得到信道协方差矩阵估计。

所述步骤(2)采用基带连乘并归一化方法得到低复杂度波束赋形矢量估计。

所述步骤(2)具体为：对于发射机的波束赋形矢量而言，在基带采用一个初始的复单位列矢量，不断右乘信道协方差矩阵估计，经过n次迭代后，再进行共轭归一化处理得到发送波束赋形矢量；对于接收机的波束赋形矢量而言，将发送波束赋形矢量连续N次发送到接收端，接收端将得到的波束赋形矢量取平均并归一化即可获得接收波束赋形矢量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种采用上述毫米波通信链路多波束赋形方法的发射机，包括发送波束矢量生成器和基带处理器，所述发送波束矢量生成器根据导频估计出信道矩阵的协方差矩阵，并计算出发送波束赋形矢量，为数据通信做准备；所述基带处理器将时域信息比特转换为载频处的信号值，送入数模转换器进行波形成形转变为模拟信号，再由上变频模块加载到载频，通过功分器的输出与所述发送波束矢量生成器预先准备好的波束赋形矢量在乘法器中相乘，最后送入功率放大器由发送阵列天线发送到信道。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种采用上述毫米波通信链路多波束赋形方法的接收机，包括接收波束矢量生成器和接收天线阵列，所述接收波束矢量生成器根据导频估计出信道矩阵的协方差矩阵，并计算出接收波束赋形矢量，为数据通信做准备；所述接收天线阵列将接收到的信道原始信号送入低噪放大器滤除部分带外噪声，再由低噪放大器的输出与接收波束赋形矢量生成器预先准备好的接收波束赋形矢量在乘法器逐一与天线对应相乘，将所有天线的相乘加权值由加法器加和送入下变频转换器，再经由模数转换器转换为数字信号，最后送入基带处理器恢复为原发送比特序列的估计。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明提高了毫米波通信束赋形增益(提高信噪比)，克服毫米波信道衰落的影响。本发明是对迭代波束赋形、方向图综合赋形等方案的提升，在高信噪比下和低信噪比下均能达到渐进最优性能，尤其是提升低信噪比条件下(信道衰落严重、或者干扰信号太强、或者是无法高发射功率传输的保密通信情况下)的信号传输增益。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的发射机的结构示意图；

图3是本发明的接收机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种毫米波通信链路多波束赋形方法，如图1所示，包括以下步骤：根据导频对信道协方差矩阵进行估计；根据信道协方差矩阵估计将信道矩阵奇异矢量的估计作为发射机和接收机波束赋形矢量，得到波束赋形增益。具体如下：

1)估计信道协方差矩阵

发射机在第i个导频码元持续时间T_i-1＜t≤T_i内，选取随机矢量fⁱ(fⁱ满足功率约束||fⁱ||＝1)作为发送波束赋形矢量，从发送端到接收端的信号为(P是信号功率，H为信道响应矩阵，为接收端噪声矢量，满足复高斯分布)，共轭归一化之后再发回发送端：

其中，为发送端噪声矢量，发送端得到列矢量pⁱ之后不再迭代发送，而是得到一个矩阵。然后，发送端再选取随机矢量fⁱ⁺¹，发到接收端再发送回来之后得到将所有的N次矩阵累加起来：

然后取平均，再减去发送端的噪声协方差矩阵估计即可得到H^TH*的近似值。

为了便于理论分析，令所以：

所以：

假设是平稳随机过程，所以时间平均近似统计平均，所以：

由于f是发送端生成的随机矢量，n_t是发送端噪声矢量，n_r是接收端噪声矢量，三个互相独立(由于f满足功率约束||f||＝1，所以E[f]＝0)。且：

式中，n_T是发送天线数目。

所以，

只需再减去接收端的噪声协方差矩阵估计(可预先由发送端纯粹接收噪声再取平均求协方差矩阵得到)，

所以，

因为C(f)²P和都是常数，S_t是H^TH^*的近似值，作为信道协方差矩阵的估计。

2)获取发送波束赋形矢量

原理：在基带采用一个初始的复单位列矢量f⁰，不断右乘S_t，经过n次迭代，最终等效为如下表达式：其中，g为接收信号复矢量。

利用酉矩阵相乘为单位阵使得

其中，其中，λ为信道特征值，v为酉矢量。

最后对fⁿ共轭归一化，得到发送波束赋形矢量因此对S_t在基带连乘并归一化最终可以求得发送波束赋形矢量w^t。

3)获取接收波束赋形矢量

再将发送波束赋形矢量w^t连续N次发送到接收端，取平均并归一化，获得接收波束赋形矢量。第i次接收端接收值为：

那么接收波束赋形矢量

由此可见，在低信噪比条件下，本发明能获得接近于最优波束赋形的性能；且鲁棒性好曲线波动小；算法具有收敛性，随着迭代次数的增加可以收敛到一个稳定的等效信道增益。

本发明还涉及一种发射机，如图2所示，主要包括基带处理器101、数模转换器102、上变频模块103、功分器104、乘法器105(移相器和模值加权模块)、功率放大器106、发送阵列天线107和发送波束矢量生成器108。其模块功能交互过程为：发送波束矢量生成器108先根据导频估计出信道矩阵的协方差矩阵，并计算出发送波束赋形矢量，为数据通信做准备，具体方式如上述的毫米波通信链路多波束赋形方法。基带处理器101将时域信息比特转换为载频处的信号值(如16QAM的星座点值)，送入数模转换器102进行波形成形转变为模拟信号，再由上变频模块103加载到载频，进一步功分器104的输出与发送波束矢量生成器108预先准备好的波束赋形矢量在乘法器105(移相器和模值加权模块)中相乘，最后送入功率放大器106由发送阵列天线107发送到信道。

本发明还涉及一种接收机，如图3所示，主要包括接收天线阵列201、低噪放大器202、乘法器203(移相器和模值加权模块)、加法器204、下变频模块205，数模转换器206、基带处理器207和接收波束赋形矢量生成器208。其模块功能交互过程为：接收波束矢量生成器208先根据导频估计出信道矩阵的协方差矩阵，并计算出接收波束赋形矢量，为数据通信做准备，具体方式如上述的毫米波通信链路多波束赋形方法。接收天线阵列201将接收到的信道原始信号送入低噪放大器202滤除部分带外噪声，再由低噪放大器202的输出与接收波束赋形矢量生成器208预先准备好的接收波束赋形矢量在乘法器203上逐一与天线对应相乘，将所有天线的相乘加权值由加法器204加和送入下变频转换器205，再经由模数转换器206转换为数字信号，最后送入基带处理器207恢复为原发送比特序列的估计。

值得一提的是，本发明的发射极和接收机的射频前端均为多天线结构，天线间隔在3倍工作频率波长以内不限定于特定值，发送和接收空中无线信号。

不难发现，本发明提高了毫米波通信束赋形增益(提高信噪比)，克服毫米波信道衰落的影响。本发明是对迭代波束赋形、方向图综合赋形等方案的提升，在高信噪比下和低信噪比下均能达到渐进最优性能，尤其是提升低信噪比条件下(信道衰落严重、或者干扰信号太强、或者是无法高发射功率传输的保密通信情况下)的信号传输增益。