一种基于数字相控电磁表面天线的数字传输方法及系统与流程

本发明实施例涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于数字相控电磁表面天线的数字传输方法及系统。

背景技术：

随着全球移动互联网以及物联网技术的迅猛发展，业务需求量已经呈现爆炸式增长。目前已经实际部署的第四代移动通信系统(4g)将难以满足未来十年用户对通信网络容量增加千倍的巨大需求。为了满足如此迅速的网络容量增长以及绿色通信的核心理念，世界各个通信强国已逐渐把目光转向了第五代移动通信系统(5g)。5g的主要技术挑战就是如何大幅提高无线资源的频谱效率来满足十年千倍的容量需求。大规模多输入多输出(multi-inputmulti-output，mimo)技术则被公认为是攻克这一挑战的关键技术之一。通过配置超大规模天线阵列(比如256根天线)，大规模mimo技术可以引入更多额外的空间自由度来显著提高系统的频谱效率。自2010年提出以来，大规模mimo技术已经成为了学术界与工业界的研究热点，并已经在最新的3gppr15标准中正式采纳为5g的物理层技术。

然而，目前实现大规模mimo技术仍面临着技术上的一些挑战，其中之一，就如如何降低系统所需的射频数量。在传统的全数字mimo结构中，每一根天线需要一个专用射频链路(包括混频器，数模转换器等等)来支持，其功耗往往很大，且价格不菲。如果直接将传统结构应用到配置成百上千根天线的大规模mimo系统中，则将需要庞大的射频网络，其功耗与成本将无法接受。比如，一个配备256根天线的大规模mimo基站，其仅射频网络部分的功耗就将高达128瓦，而目前4g系统中微蜂窝基站的总功耗也不过十几瓦。为了降低系统的射频数量，缓解高功耗高成本这一瓶颈问题，最近有两种新型大规模mimo系统被提出。第一种为基于相控天线的大规模mimo系统(参考o.elayach,s.rajagopal,s.abu-surra,z.pi,andr.heath,“spatiallysparseprecodinginmillimeterwavemimosystems,”ieeetrans.wirelesscommun.,vol.13,no.3,pp.1499-1513,mar.2014)。该系统将传统的高维全数字信号处理分解为两步，即先进行高维的模拟信号处理(由移相网络实现)获得阵列增益，再经由少量射频采样后，在基带进行低维数字信号处理以消除数据流间干扰。该系统可获得准最优的性能，然而该系统需要大量高分辨率移相器以及复杂的功率分流器等连接模块，其功耗与成本仍然较为可观。第二种为基于透镜天线的大规模mimo系统(参考j.brady,n.behdad,anda.m.sayeed,“beamspacemimoformillimeter-wavecommunications:systemarchitecture,modeling,analysis,andmeasurements,”ieeetrans.ant.andpropag.,vol.61,no.7,pp.3814–3827,jul.2013)。该系统利用透镜，可以将不同来波方向上的信号聚焦在不同的天线上，从而实现空间傅里叶变换的作用，并将传统空间域信道转换为波束域。然而，基于透镜天线的大规模mimo系统中采用的透镜由于材料原因，体积大成本高，十分不利于集成化。

现有的mimo系统中，仍然在射频部分功耗较高，同时使用的器材仍然存在成本过高，体积过大等问题，使得mimo系统难以进行实际应用。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种基于数字相控电磁表面天线的数字传输方法及系统，用以解决现有技术中存在射频部分功耗较高，同时使用的器材仍然存在成本过高，体积过大，使得mimo系统难以进行实际应用的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种基于数字相控电磁表面天线的数字传输方法，包括：

根据导频信号，对本次数字信息传输进行信道估计，获得本次数字信息传输的预设信道；

根据所述预设信道，通过波束赋型矩阵对天线阵列进行调制，获得调制后的天线阵列；

获取待发送的基带信号，对所述基带信号进行数模转换，获得待发送的多流模拟信号；

将所述多流模拟信号照射到所述调制后的天线阵列上，通过所述调制后的天线阵列进行相位调整后，在所述预设信道上进行辐射；其中，所述天线阵列包含电磁表面天线。

其中，所述根据导频信号，对本次数字信息传输进行信道估计的步骤，具体包括：根据导频信号、上一次迭代中获得的信道矩阵和上一次迭代中获得的字典矩阵，通过压缩感知算法估计本次迭代中的信道；根据所述本次迭代中的信道，获得本次迭代中的信道矩阵和本次迭代中的字典矩阵。

其中，所述通过压缩感知算法估计本次迭代中的信道的步骤还包括：若所述本次迭代中的信道精度满足预设精度或本次迭代次数达到预设次数，则将本次迭代中的信道作为预设信道。

其中，所述根据所述预设信道，通过波束赋型矩阵对天线阵列进行调制的步骤，具体包括：对模拟波束赋型矩阵的每一个元素的取值设置初始概率分布，其中所述模拟波束赋型矩阵的每一个元素仅有有限个离散取值；根据上一次迭代中获得的概率分布，生成多个本次迭代中的模拟波束赋型矩阵，并根据每一个所述本次迭代中的模拟波束赋型矩阵计算对应的数字波束赋型矩阵，将每一对本次迭代中的模拟波束赋型矩阵和对应的数字波束赋型矩阵称为一个候选解；计算每一个所述候选解的代价函数，选择多个候选解作为精英解，利用所述精英解获得本次迭代中的概率分布，同时获得本次迭代中的模拟波束赋型矩阵。

其中，所述同时获得本次迭代中的模拟波束赋型矩阵的步骤之后还包括：判断获知迭代次数等于预设迭代次数，将所述本次迭代中的模拟波束赋型矩阵作为所述波束赋型矩阵。

其中，所述天线阵列包括馈源和电磁表面天线；所述待发送的多流模拟信号经过所述馈源后，照射到所述电磁表面天线上，进而对所述多流模拟信号进行相位调整。

其中，所述电磁表面天线通过多个pin二极管组成。

第二方面，本发明实施例提供一种基于数字相控电磁表面天线的数字传输系统，包括：

信道估计模块，用于根据导频信号，对本次数字信息传输进行信道估计，获得本次数字信息传输的预设信道；

波束赋型模块，用于根据所述预设信道，通过波束赋型矩阵对天线阵列进行调制；

数模转换模块，用于获取待发送的基带信号，对所述基带信号进行数模转换，获得待发送的多流模拟信号；

天线模块，用于将所述多流模拟信号照射到所述天线阵列上，通过所述天线阵列进行相位调整后，在所述预设信道上进行辐射。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如上述第一方面所提供的基于数字相控电磁表面天线的数字传输方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面所提供的基于数字相控电磁表面天线的数字传输方法的步骤。

本发明实施例提供的基于数字相控电磁表面天线的数字传输方法及系统，采用数字相控电磁表面天线对模拟信号进行相位调整后，在预设的信道上进行发射，相比于传统的mimo系统，可以在相同性能的前提下，大幅降低系统功耗与成本，同时天线阵列集成了移相与辐射功能一体，不需要单独的移相单元与辐射单元，简化了天线结构，降低了通信成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的基于数字相控电磁表面天线的数字传输方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例提供的基于数字相控电磁表面天线的数字传输方法中信道估计的场景示意图；

图3为本发明一实施例提供的基于数字相控电磁表面天线的数字传输系统的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一实施例提供的基于数字相控电磁表面天线的数字传输方法的流程示意图，所提供的方法包括：

s1，根据导频信号，对本次数字信息传输进行信道估计，获得本次数字信息传输的预设信道；

s2，根据所述预设信道，通过波束赋型矩阵对天线阵列进行调制；

s3，获取待发送的基带信号，对所述基带信号进行数模转换，获得待发送的多流模拟信号；

s4，将所述多流模拟信号照射到所述天线阵列上，通过所述天线阵列进行相位调整后，在所述预设信道上进行辐射。

具体的，本实施例中，对于需要发送的基带信号，首先通过导频信号对本次信息传输进行信道估计，确认本次信息传输中需要使用到的预设信道。之后，根据波束赋型矩阵对数字相控电磁表面天线中电磁界面上各个单元进行调制，获得本次信息传输中的需要使用到的，调制后的天线阵列。

在信号处理部分，首先将待发送的基带信号通过信号处理模块进行相应的数字信号处理之后，经由射频模块的数模转换器、混频器等器件，转换为所需通信频段的多流模拟信号，该多流模拟信号最后经由调制后的天线阵列进行相位调整，并在指定的波束方向上进行辐射。其中，天线阵列包含电磁表面天线，天线阵列可以有多种不同的形态，比如pin二极管的导通或阻塞，其由天线阵列所连接的控制电路进行数字控制。不同的形态可对模拟信号产生不同的相移。

通过此方法，采用数字相控电磁表面天线对模拟信号进行相位调整后，在预设的信道上进行发射，相比于传统的mimo系统，可以在相同性能的前提下，大幅降低系统功耗与成本，同时天线阵列集成了移相与辐射功能一体，不需要单独的移相单元与辐射单元，简化了天线结构，降低了通信成本。

在上述实施例的基础上，所述根据导频信号，对本次数字信息传输进行信道估计的步骤，具体包括：根据导频信号、上一次迭代中获得的信道矩阵和上一次迭代中获得的字典矩阵，通过压缩感知算法估计本次迭代中的信道；根据所述本次迭代中的信道，获得本次迭代中的信道矩阵和本次迭代中的字典矩阵。

其中，所述通过压缩感知算法估计本次迭代中的信道的步骤还包括：若所述本次迭代中的信道精度满足预设精度或本次迭代次数达到预设次数，则将本次迭代中的信道作为预设信道。

具体的，在信道估计过程中，考虑tdd模式下的上行信道估计，其中第s层的上行导频发送可以用下述数学模型表示：

其中y(s)表示接收导频信号，w(s)为接收时采用的组合码本矩阵，h为信道矩阵，x为发射的导频，n为噪声。由于大规模mimo信道在角度域具有稀疏性，不同发射天线的上行导频信号到达角分布在一个较小的角度范围。因此，信道矩阵可以写成h＝adz，ad为角度字典矩阵，每一列是一个由某一角度决定的阵列导向矢量z是一个稀疏矩阵，因此可以采用压缩感知的方法进行信道估计。由于压缩感知进行信道估计的准确性依赖于接收信噪比，因此各层的组合码本矩阵w(s)需要特殊设计，且适用于基于1-bit移相的数字相控电磁表面天线，即各个元素取值于

基于此，本实施例在信道估计步骤中，参考图2所示，提出一种信道估计方案，通过逐层缩小码本探测的角度范围，进而逐层提高接收信号的信噪比。在第s层中，可以通过压缩感知的方法来估计信道角度，进一步缩小角度范围。第s+1层，根据前一层缩小后的角度范围，设计新的组合码本矩阵w(s+1)，由于第s+1层探测的角度范围更小，因此可以获得更高的阵列增益，提高接收导频信号的信噪比，信道估计将更加准确。

为了进一步降低每一层信道估计的计算复杂度，本实施例中提出根据波束范围自适应修改字典矩阵的方法。具体的，把第s层的字典矩阵ad称为ad,(s)，以区分不同阶段的不同字典矩阵。字典ad,(s)由n个导向矢量a^*(φn,(s))组成，其中a^*(φn，(s))每个元素取值于集合须使得a^*(φn,(s))与每个元素连续选取的导向矢量a(φn,(s))尽可能接近。这样一来，角度分辨率将逐级增加，而字典矩阵规模n保持不变，因此压缩感知算法的计算复杂度不变。在s级之后，可以实现高达π/2^sn的角度分辨率，分辨率远远高于由角度均匀分布在[-π/2,π/2]内的n个导向矢量组成的字典所能达到的π/n角度分辨率。当信道精度满足预设精度时或者迭代次数达到预设次数，则将本次迭代中的信道作为预设信道。

通过此方法，利用分层的自适应码本来逐层提高角度分辨率和信噪比，可以在保证高信道估计精度的前提下，显著降低信道估计所需的导频开销。

在上述实施例的基础上，所述根据所述预设信道，通过波束赋型矩阵对天线阵列进行调制的步骤，具体包括：对模拟波束赋型矩阵的每一个元素的取值设置初始概率分布，其中所述模拟波束赋型矩阵的每一个元素仅有有限个离散取值；根据上一次迭代中获得的概率分布，生成多个本次迭代中的模拟波束赋型矩阵，并根据每一个所述本次迭代中的模拟波束赋型矩阵计算对应的数字波束赋型矩阵，将每一对本次迭代中的模拟波束赋型矩阵和对应的数字波束赋型矩阵称为一个候选解；计算每一个所述候选解的代价函数，选择多个候选解作为精英解，利用所述精英解获得本次迭代中的概率分布，同时获得本次迭代中的模拟波束赋型矩阵。

其中，所述同时获得本次迭代中的模拟波束赋型矩阵的步骤之后还包括：判断获知迭代次数等于预设迭代次数，将所述本次迭代中的模拟波束赋型矩阵作为所述波束赋型矩阵。

具体的，基于数字相控电磁表面天线的大规模mimo传输模型如下：

y＝hfrffbbs+n，

其中y为k×1接收信号矢量，k为传输流数，h为k×n信道矩阵，n为基站端数字相控电磁表面天线的单元数，frf为n×nrf维模拟波束赋形矩阵，nrf为基站射频数。若电磁界面天线单元由pin二极管实现，为块对角矩阵，为第n个馈源照射的电磁界面区域上的波束赋型向量，且其每个元素仅可取值于集合fbb为nrf×k的数字波束赋型矩阵，s为k×1待发送的信号向量，n为k×1加性噪声，方差为σ²。设计模拟波束赋型矩阵frf和数字波束赋型矩阵fbb的目标是最大化可达和速率r，定义如下：

其中为数字波束赋型矩阵fbb的第k列。于是波束赋型矩阵设计问题可以写成具有如下约束条件的优化问题：

其中是所有满足各个元素取值于的n×nrf维的矩阵的集合，为能量约束条件。fbb的约束条件是凸的，因此，一旦确定了frf，fbb就可以基于等效信道hfrf有效求解。然而，如果在整个可行集中遍历搜索所有的frf，需要搜索2ⁿ个可能的frf。由于在基于数字相控电磁表面天线的大规模mimo系统中，n通常比较大(比如n＝64,2ⁿ≈1.84×10¹⁹)，这将导致难以承受的复杂度。另一方面，由于约束条件非凸，因此难以通过传统的基于凸优化的方法求解。

本实施例中，通过提出一种可行的波束赋型方案来解决上述问题，初始时，把frf中的所有非零元素表示成一个n×1的向量：

并定义u＝[u1,u2,…,un]为n×1概率参数向量，其中0≤un≤1表示的概率，1-un表示的概率，fn为矢量f中的第n个元素。然后，通过初始化u⁽⁰)＝[0.5,0.5,…,0.5]^t，假设起始时frf中的所有n个非零元素等概率地选取自在第i次循环中，先基于概率分布随机产生s个的模拟波束赋型矩阵(即根据u⁽ⁱ⁾产生一组然后重组成集合中的矩阵)。之后，针对每一个根据等效信道计算对应的数字波束赋型矩阵关于数字波束赋型矩阵，已有许多先进的设计方法，比如经典的迫零(zeroforcing，zf)算法，就能以较低复杂度获得准最优的性能。zf算法如下：

其中是功率归一化因子。然后，将和代入可达和速率的表达式计算可达和速率排序并获取可达和速率最大的selite个候选解作为精英解。最后以精英解为样本，通过最小化交互熵来更新概率分布u⁽ⁱ⁺¹⁾。一般的方法是

其中表示产生的概率。如上所述，所有精英解的贡献被视为相同，会导致性能下降。为了解决这个问题，基于其可达和速率来自适应地区分每个精英解的重要性。具体来说，先定义一个辅助参数t表示所有精英的平均可达和速率：

然后，计算权重基于前述方法改进为：

重复上述过程直至达到预先设定的最大迭代次数，输出此时最优的与作为最终解，即可以以低复杂度获得具有准最优和速率性能的波束赋型方案。

在上述实施例的基础上，所述天线阵列包括馈源和电磁表面天线；

所述待发送的多流模拟信号经过所述馈源后，照射到所述电磁表面天线上，进而对所述多流模拟信号进行相位调整。所述电磁表面天线通过多个pin二极管组成。

具体的，天线阵列由馈源与电磁界面两部分组成。射频模块产生的多流模拟信号，首先经由多个馈源，照射到电磁界面的不同区域上。电磁界面上的某个区域受到照射后，即会对模拟信号产生相移，形成特定方向的波束并进行辐射。其中，电磁界面上的各个单元具有多种形态，不同的形态会对模拟信号产生不同的相移，由电磁界面相连接的控制电路进行数字控制。在具体实现中，可重构电磁界面单元可由上千个低功耗低成本的pin二极管实现，并与控制电路相连接，以控制每一个pin二极管是否导通，从而将1-bit移相器与辐射单元的功能集中为一体，避免了独立的移相单元与辐射单元，以及这二者之间复杂的连接模块，如功率分流器等。相比于传统相控天线，数字相控电磁表面天线可显著降低功耗与成本。然而，相比相控天线中的高分辨率移相器，低分辨率移相会带来明显的性能损失，这可以通过扩大阵列的规模来弥补。实验数据表明，即使大幅提高阵列规模以提高阵列增益，数字相控电磁表面天线还是可以降低总的功耗。表1给出了两种天线之间具体的性能对比。

表1

可见，通过此方法，在相同性能前提下可大幅降低系统功耗与成本。

参考图3，图3为本发明一实施例提供的基于数字相控电磁表面天线的数字传输系统的结构示意图，所提供的系统包括：信道估计模块31，波束赋型模块32，数模转换模块33和天线模块34。

其中，信道估计模块31用于根据导频信号，对本次数字信息传输进行信道估计，获得本次数字信息传输的预设信道；

波束赋型模块32用于根据所述预设信道，通过波束赋型矩阵对天线阵列进行调制；

数模转换模块33用于获取待发送的基带信号，对所述基带信号进行数模转换，获得待发送的多流模拟信号；

天线模块34用于将所述多流模拟信号照射到所述天线阵列上，通过所述天线阵列进行相位调整后，在所述预设信道上进行辐射。

需要说明的是，信道估计模块31，波束赋型模块32，数模转换模块33和天线模块34配合以执行上述实施例中的一种基于数字相控电磁表面天线的数字传输方法，该系统的具体功能参见上述的基于数字相控电磁表面天线的数字传输方法的实施例，此处不再赘述。

图4为本发明一实施例提供的电子设备的结构示意图，如图4所示，所提供的设备包括：处理器(processor)401、通信接口(communicationsinterface)402、存储器(memory)403和总线404，其中，处理器401，通信接口402，存储器403通过总线404完成相互间的通信。处理器401可以调用存储器403中的逻辑指令，以执行如下方法，例如包括：根据导频信号，对本次数字信息传输进行信道估计，获得本次数字信息传输的预设信道；根据所述预设信道，通过波束赋型矩阵对天线阵列进行调制，获得调制后的天线阵列；获取待发送的基带信号，对所述基带信号进行数模转换，获得待发送的多流模拟信号；将所述多流模拟信号照射到所述调制后的天线阵列上，通过所述调制后的天线阵列进行相位调整后，在所述预设信道上进行辐射。

本发明实施例公开一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：根据导频信号，对本次数字信息传输进行信道估计，获得本次数字信息传输的预设信道；根据所述预设信道，通过波束赋型矩阵对天线阵列进行调制，获得调制后的天线阵列；获取待发送的基带信号，对所述基带信号进行数模转换，获得待发送的多流模拟信号；将所述多流模拟信号照射到所述调制后的天线阵列上，通过所述调制后的天线阵列进行相位调整后，在所述预设信道上进行辐射。

本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：根据导频信号，对本次数字信息传输进行信道估计，获得本次数字信息传输的预设信道；根据所述预设信道，通过波束赋型矩阵对天线阵列进行调制，获得调制后的天线阵列；获取待发送的基带信号，对所述基带信号进行数模转换，获得待发送的多流模拟信号；将所述多流模拟信号照射到所述调制后的天线阵列上，通过所述调制后的天线阵列进行相位调整后，在所述预设信道上进行辐射。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。