分离型非对称混合波束成型的传输装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，特别设及一种适用于高频段多输入多输出系统的 分离型非对称混合波束成型的传输装置及方法。该传输装置及方法采用发射机分离型数字 模拟混合波束成型发送，接收机全数字接收的非对称波束成型方案，能在合理的接收机复 杂度下充分利用模拟波束成型的阵列、分集增益和数字波束成型的复用、分集增益，提高系 统性能。
【背景技术】
[0002] 面向2020年及未来移动通信技术和产业将迈入第五代移动通信(5G)的发展阶段， 中国在IMT-2020(5G)网络技术架构白皮书中提出IOOMbps-I加PS的数据速率指标。为了实 现超高速率的传输，大规模MIMO技术和毫米波通信是未来5G通信领域的关键技术。
[0003] 毫米波通信带来许多新的问题，其中波束成型方案的设计是研究重点之一。在毫 米波通信中，大规模天线阵列由于体积小易于封装，使其能够实现高预编码增益。然而，大 规模混合信号使得数字预编码变得相当困难。同时，设计预编码矩阵通常需要完全或者部 分信道状态信息，由于毫米波通信天线数多且信噪比较低，运在波束成型之前很难获得所 需的信道状态信息。
[0004]为了克服射频硬件的约束，提出了模拟波束成型解决方案。其主要思想是利用相 移器去控制每根天线所传输信号的相位，发射端在不需要信道信息的情况下通过波束训练 算法来设计模拟波束成型权重。模拟波束成型在一定程度上降低了复杂度，但是发送的并 行流不能获得复用增益，且当多个用户距离较近时会引起严重的用户间干扰。
[0005]为了获得更大的增益W及对多个数据流进行预编码，在毫米波通信中提出了数模 混合波束成型。采用数模混合波束成型可W在减少射频链路数的同时保证系统性能。然而 目前的毫米波混合波束成型通信系统多采用对称式的，即发射机和接收机均采用混合波束 成型方案，运在多用户场景中接收机的复杂度高代价大。
【发明内容】
[0006]发明目的：为了同时利用模拟波束成型的阵列、分集增益和数字波束成型的复用、 分集增益，高频段多输入多输出(MIM0:MultipleI叩UtMultipleOutput)无线通信系统 多采用发射机接收机对称的混合波束成型方案，在多用户场景中，显著增加接收机复杂度 及系统开销。考虑现有技术的不足，针对高频段多用户MIM0(MU-MIM0:Multi-user MultipleI吨UtMultipleOutput)无线通信系统，本发明提供一种发射机采用分离型数 字模拟混合波束成型，接收机采用全数字接收的非对称波束成型装置及方法，能在合理的 接收机复杂度下充分利用模拟波束成型的阵列、分集增益和数字波束成型的复用、分集增 益，提高系统性能。
[0007] 技术方案：一种适用于高频段MU-MIMO无线通信系统的分离型非对称混合波束成 型的传输装置，包括发射机和接收机，发射机包括数据的基带信号处理模块，射频链路模块 W及相控发射天线阵列模块，其中基带信号处理模块与Nrf个射频链路模块连接，射频链路 模块与相控发射天线阵列连接，连接的方式为分离型，每个射频链路模块连接有M根射频天 线，每一射频天线均有一相移控制器;在接收端有K个用户，每个用户有独立的接收机且每 个接收机有一个基带信号处理模块，用户k有W,,根全向天线，所有用户天线总数为 心=Z施； A-=I
[000引发射机采用分离型数字模拟混合波束成型，基带信号处理模块实现数字波束成 型，将Ndata路数据流映射到Nrf个射频链路上，实现复用增益和分集增益。对于每一个射频链 路，通过其上的M根射频天线分别采用不同的相移来实现该射频链路的模拟波束成型，从而 利用相控天线阵列的阵列增益和分集增益，抵抗信道衰落。
[0009] 发射机实现数字模拟混合波束成型的具体流程为:将要发射的Ndata路数据流输入 基带信号处理模块进行数字预编码，输出Nrf路数字信号，Nrf路数字信号分别传递给Nrf个射 频链路。在每一个射频链路，数字信号经过数模转换转换成模拟信号，并调制至高频后经相 位控制器进行相位调整后通过M根射频天线发射出去，从而实现该路信号的模拟波束成型。
[0010] 接收机采用全数字接收，用户k通过全向天线接收到路高频信号，每一路信号 解调至低频信号后经过模数转换转换成数字信号，将运路数字信号输入基带信号处理 模块进行解数字预编码，从而恢复发送给其的数据。
[0011] 一种适用于上述高频段MU-MIMO无线通信系统中分离型非对称混合波束成型的传 输装置的传输方法，具体步骤如下：
[0012] 步骤一:发射端，发射机发射模拟波束成型训练序列；接收端，每个用户选择最佳 的模拟波束成型图案并且反馈给发射机，发射机确定每个发射链路的模拟波束成型码字。
[0013] 假设发射机的每个相控天线子阵列共享同一个模拟波束训练码本，且包含Npa个码 字。发射机依次从第1个相控天线子阵列到第Nrf个相控天线子阵列进行模拟波束码本训练。 第i个相控天线子阵列进行波束训练时，发射机依次W码本中的所有码字对所有用户广播 相同的数据且发射功率保持不变，接收端的所有用户采用全向接收，每个用户通过接收到 的信号质量判断得到第i个相控天线子阵列向其波束成型发射时的最佳码字的序号，并将 该码字序号反馈给发射机。按照W上流程依次完成从第1个相控天线子阵列到第Nrf个相控 天线子阵列的模拟波束码本训练。发射机根据模拟波束码本训练的结果确定每个发射链路 的模拟波束成型码字，将发射链路Kl含i含Nrf)的模拟波束成型码字向量记为tlf。
[0014] 步骤二:发射机使用步骤一得到的模拟波束成型方案发送信道估计训练序列，用 户估计数字域等效信道Heff并反馈给发送端。
[0015] 具体方法为:发射机发送已知的训练序列，发送训练序列时每个射频链路使用步 骤一选择的模拟波束码字进行模拟波束成型，数字域不做波束成型，接收端通过训练序列 进行信道估计，此时估计出的信道即为数字域的等效信道出ff。
[0016] 步骤=:发射机根据步骤二得到的数字域等效信道Heff确定数字预编码矩阵Fbb，用 户k根据步骤二得到的数字域等效信道出ff确定解数字预编码矩阵W常。
[0017] 步骤四：发射机将数据流通过数字波束成型和模拟波束成型发送给用户。
[0018] 设发射机要发送的数据S是一个NdataXI维向量，并且由发送给各用户的数据组 成，即S=klT，. . .，SkT，. . .，SkT]T。其中，Sk是发送给用户k的数据向量，是一个A/ImXI维向 量。S经过数字预编码得到数字域发送信号X，是一个NrfXI维向量。
[0019]X=FggS=柄，?,..., %化]『 (1)
[0020] Nrf维数字信号分别传给Nrf路射频链路，每一个射频链路通过其上连接的M根天线 的相移来进行模拟波束成型，其中发射链路i(1含i含Nrf)的模拟波束成型码字向量为， 发射链路i(l<i<Nrf)的天线子阵列发射的信号=Ga，整个发射机相控天线阵列发送的 信号t二[t/，t/，....，tw/f。
[0021] 步骤五:用户对接收到的数据做数字解预编码，恢复发送给其的信号。
[0022] 用户k(l含k含K)对接收到的信号rk进行接收机解数字预编码，恢复出发送给其的 数据。
[002；3] 二W心口）
[0024] 其中W立是用户k( 1 <k卽)的解数字预编码矩阵。
[0025] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：发射机混合波束成型，能够同 时利用模拟波束成型的阵列、分集增益和数字波束成型的复用、分集增益，提高系统性能。 接收机全数字接收，能利用数字波束成型的复用、分集增益，且能很好地适用于多用户场 景，降低系统接收机复杂度。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明方法所对应的分离型非对称混合波束成型收发机框图；
[0027] 图2为本发明方法的总体流程框图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解运些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价 形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0029] 如图1所示，适用于高频段MU-MIMO无线通信系统的分离型非对称混合波束成型的 传输装置，包括发射机和接收机，发射机包括数据的基带信号处理模块，射频链路模块W及 相控发射天线阵列模块，其中基带信号处理模块与Nrf个射频链路模块连接，射频链路模块 与相控发射天线阵列连接，连接的方式为分离型，每个射频链路模块连接有M根射频天线， 每一射频天线均有一相移控制器;在接收端有K个用户，每个用户有独立的接收机且每个接 收机有一个基带信号处理模块，用户k有根全向天线，接收端所有用户天线总数为Mms=ZKs-, 占:二 1;
[0030] 发射机采用分离型数字模拟混合波束成型，基带信号处理模块实现数字波束成 型，将Ndata路数据流映射到Nrf个射频链路上，实现复用增益。对于每一个射频链路，通过其 上的M根射频天线分别采用不同的相移来实现该射频链路的模拟波束成型，从而利用相控 天线阵列的阵列增益和分集增益，抵抗信道衰落。
[0031]发射机实现数字模拟混合波束成型的