一种基于波束成形的通信方法及装置与流程

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于波束成形的通信方法及装置。

背景技术：

科技和社会的发展将带来移动和无线业务量的激增，现有技术通过提高频谱效率很难达到此需求，使用高频段成为必然的趋势。为了满足未来移动数据率高速增长的需要，毫米波频段以其波长短、频带宽等特点获得越来越多人的关注，但是，与现有的微波通信相比，毫米波更易受到雨和空气等的影响而被大气吸收，导致传输损耗增加等问题，为了最大化的降低传输损耗，使用大阵列的相控阵天线系统提高传输增益进而提高波束指向精度已成为业界亟待解决的问题。

大阵列的相控阵天线系统需要用到大阵列波束成形技术，目前实现大阵列波束成形技术方案基本可以划分为三类：基于数字预编码波束成形方案、基于模拟移相波束成形方案以及两级控制的数字和模拟混合波束成形方案。然而，对于基于数字预编码波束成形方案，其对于射频链路 ADC/DAC需求量很大，导致在硬件实现上的花费和功耗较多；对于基于模拟移相波束成形方案，会导致波束控制的灵活性降低；对于两级控制的数字和模拟混合波束成形方案，该方案在波束指向准确度存在一定的偏差，因此，如何在合理成本控制内高效地进行波束成形的通信已成为业界亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种基于波束成形的通信方法及装置，利用三级结构同时控制波束方向和波束宽度，不仅减少了波束控制所需要 ADC/DAC的数目，还可以通过调整中频和射频端口的数目实现增益的调整。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供一种发送端，所述发送端包括发送端预编码模块，发送端中频波束成形模块，发送端射频波束成形模块，天线阵列模块，以及发送端反馈模块，其中，

所述发送端反馈模块，用于发送端根据来自接收端的反馈信息，获得发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF，所述反馈信息包括信道矩阵H和AOD方向矢量信息；

所述发送端预编码模块，用于所述发送端获取第一数据流，并根据所述TrBB对所述第一数据流进行预编码处理，生成第一模拟信号，所述第一数据流为码流通过加扰并进行层映射后生成的；

所述发送端中频波束成形模块，用于所述发送端根据所述TrIF对所述第一模拟信号进行加权和功率放大处理，生成第二模拟信号；

所述发送端射频波束成形模块，用于所述发送端根据所述TrRF对所述第二模拟信号进行加权和功率放大处理，生成第三模拟信号；

所述天线阵列模块，用于所述发送端确定与所述第三模拟信号匹配的天线阵列，并通过所述与所述第三模拟信号匹配的天线阵列将所述第三模拟信号发射至所述接收端。

在第一方面的第一种可能的实现方式中，

所述发送端预编码模块，具体用于所述发送端根据TrBB对所述第一数据流进行预编码得到预编码信号；所述发送端将所述预编码信号进行数模转换处理生成所述第一模拟信号。

结合前述的第一方面以及第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，

所述发送端中频波束成形模块，具体用于所述发送端对所述第一模拟信号进行中频端上变频处理；所述发送端根据所述TrIF，对上变频后的第一模拟信号进行加权处理；所述发送端对加权处理后的第一模拟信号进行功率放大处理，生成所述第二模拟信号。

结合前述的第一方面以及第一方面的第一至第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，

所述发送端射频波束成形模块，具体用于所述发送端对所述第二模拟信号进行射频端上变频处理；所述发送端根据所述TrRF，对上变频后的第二模拟信号进行加权处理；所述发送端对加权处理后的第二模拟信号进行功率放大处理，生成所述第三模拟信号。

结合前述的第一方面以及第一方面的第一至第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，

所述发送端中频波束成形模块，具体用于所述发送端根据所述TrIF，对上变频后的第一模拟信号进行加权处理，其中，所述加权处理的方式为幅度加权和相位加权、幅度加权、相位加权中任一种。

结合前述的第一方面以及第一方面的第一至第四种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，

所述发送端反馈模块，具体用于所述发送端根据所述反馈信息获取信道矩阵H和去波方向矢量信息；所述发送端使用第一预置迭代函数处理所述信道矩阵H和去波方向矢量信息，进而获得所述TrBB、TrIF以及TrRF。

第二方面，本发明的实施例提供一种接收端，所述接收端包括接收端预编码模块，接收端中频波束成形模块，接收端射频波束成形模块，以及接收端反馈模块，其中，

所述接收端反馈模块，用于接收端根据来自发送端的反馈信息，计算获得接收端预编码矩阵RxBB、接收端中频波束成形矩阵RxIF以及接收端射频端波束成形矩阵RxRF，所述反馈信息包括信道矩阵H、AOA方向矢量信息以及发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF；

所述接收端射频波束成形模块，用于所述接收端获取第四模拟信号，并根据所述RxRF对所述第四模拟信号进行加权和功率放大处理生成第五模拟信号；

所述接收端中频波束成形模块，用于所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行加权和功率放大处理生成第六模拟信号；

所述接收端预编码模块，用于所述接收端根据所述RxBB对所述第六模拟信号进行编码处理生成第二数据流，所述第二数据流用于解层映射。

在第二方面的第一种可能的实现方式中，

所述接收端射频波束成形模块，具体用于所述接收端根据所述RxRF对所述第四模拟信号进行加权处理；所述接收端对加权处理后的第四模拟信号进行功率放大处理；所述接收端对功率放大处理后的第四模拟信号进行射频端下变频处理生成第五模拟信号。

结合前述的第二方面以及第二方面的第一种可能的实现方式，在第二方面的第二种可能的实现方式中，

所述接收端中频波束成形模块，具体用于所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行加权处理；所述接收端对加权处理后的第五模拟信号进行功率放大处理；所述接收端对功率放大处理后的第五模拟信号进行中频端下变频处理生成第六模拟信号。

结合前述的第二方面以及第二方面的第一至第二种可能的实现方式，在第二方面的第三种可能的实现方式中，

所述接收端预编码模块，具体用于所述接收端对所述第六模拟信号转变为数字信号；所述接收端根据所述RxBB对转变为数字信号的第六模拟信号进行加权处理得到所述第二数据流。

结合前述的第二方面以及第二方面的第一至第三种可能的实现方式，在第二方面的第四种可能的实现方式中，

所述接收端中频波束成形模块，具体用于所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行加权处理，其中，所述加权处理的方式为幅度加权和相位加权、幅度加权、相位加权中任一种。

结合前述的第二方面以及第二方面的第一至第四种可能的实现方式，在第二方面的第五种可能的实现方式中，

所述接收端反馈模块，具体用于所述接收端获取所述反馈信息中的信道矩阵H、来波方向矢量信息、TrBB、TrIF以及TrRF；所述接收端使用第二预置迭代函数处理所述信道矩阵H、来波方向矢量信息、TrBB、TrIF以及TrRF，进而获得所述RxBB、RxIF以及RxRF。

第三方面，本发明的实施例提供了一种发送端，所述发送端包括第一处理器、第二处理器、第一收发器、第二收发器、DAC转化器、第一混频器、第二混频器、第一移相器、第二移相器、第一功率放大器、第二功率放大器，其中，

所述第一收发器与所述第一处理器相连，所述第一处理器与所述DAC 转化器相连构成发送端预编码处理支路，其中，所述第一收发器用于接收所述第一数据流并发送至第一处理器；所述第一处理器用于将所述第一数据流与所述TrBB相乘；所述DAC转化器将与所述TrBB相乘后的第一数据流进行数模转换处理生成所述第一模拟信号，所述第一数据流为待发送的码流通过加扰并进行层映射后生成的；

所述第一混频器与所述第一移相器相连，所述第一移相器与所述第一功率放大器相连构成发送端中频处理支路，其中，所述第一混频器用于所述发送端对所述第一模拟信号进行中频上变频处理；所述第一移相器用于根据所述TrIF，对上变频后的第一模拟信号进行加权处理；所述第一功率放大器用于对加权处理后的第一模拟信号进行功率放大处理，生成所述第二模拟信号；

所述第二混频器与所述第二移相器相连，所述第二移相器与所述第二功率放大器相连构成发送端射频处理支路，其中，所述第二混频器用于对所述第二模拟信号进行射频上变频处理；所述第二移相器用于根据所述 TrRF，对上变频后的第二模拟信号进行加权处理；所述第二功率放大器用于对加权处理后的第二模拟信号进行功率放大处理，生成所述第三模拟信号；

所述第二收发器与所述第二处理器相连构成发送端反馈支路，其中，所述第二收发器用于根据所述反馈信息获取信道矩阵H；所述第二处理器用于根据所述信道矩阵H和所述反馈信息计算所述去波方向矢量信息，并使用第一预置迭代函数处理所述信道矩阵H和去波方向矢量信息，进而获得所述TrBB、TrIF以及TrRF。

在第三方面的第一种可能的实现方式中，

所述第一移相器，具体用于对上变频后的第二模拟信号进行幅度加权和相位加权、幅度加权、相位加权中任一种。

第四方面，本发明实施例提供了一种接收端，所述接收端包括第一移相器、第二移相器、第一功率放大器、第二功率放大器、第一混频器、第二混频器、DAC转换器、第一处理器、第二处理器、第一收发器，其中，

所述第一移相器与所述第一功率放大器相连，所述第一功率放大器与所述第一混频器相连组成接收端射频处理支路，其中，所述第一移相器用于根据所述RxRF对所述第一模拟信号进行加权处理；所述第一功率放大器用于对加权处理后的第一模拟信号进行功率放大处理；所述第一混频器用于对功率放大处理后的第一模拟信号进行射频端下变频处理生成第二模拟信号；

所述第二移相器与所述第二功率放大器相连，所述第二功率放大器与所述第二混频器相连组成接收端中频处理支路，其中，所述第二移相器用于根据所述RxIF对所述第二模拟信号进行加权处理；所述第二功率放大器用于对加权处理后的第二模拟信号进行功率放大处理；所述第二混频器用于对功率放大处理后的第二模拟信号进行中频端下变频处理生成第三模拟信号；

所述DAC转换器与所述第一处理器相连组成接收端预编码处理支路，其中，所述DAC转换器用于对所述第三模拟信号转变为数字信号；所述第一处理器用于根据所述RxBB对转变为数字信号的第三模拟信号进行加权处理得到所述第二数据流，所述第二数据流用于解层映射；

所述第一收发器与所述第二处理器相连组成接收端反馈支路，其中，所述第一收发器用于获取所述反馈信息中的信道矩阵H、发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵 TrRF；所述第二处理器用于根据所述反馈信息以及所述信道矩阵H计算所述来波方向矢量信息，并使用第二预置迭代函数处理所述信道矩阵H、来波方向矢量信息、TrBB、TrIF以及TrRF，进而获得所述RxBB、RxIF以及RxRF。

在第四方面的第一种可能的实现方式中，

所述第四移相器，具体用于所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行幅度加权和相位加权、幅度加权、相位加权中任一种。

第五方面，本发明实施例提供了一种基于波束成形的通信方法，包括：

发送端根据来自接收端的反馈信息，计算获得发送端预编码矩阵 TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF，所述反馈信息包括信道矩阵H和AOD方向矢量信息；

所述发送端获取第一数据流，并根据所述TrBB对所述第一数据流进行预编码处理生成第一模拟信号，所述第一数据流为码流通过加扰并进行层映射后生成的；

所述发送端根据所述TrIF对所述第一模拟信号进行加权和功率放大处理，生成第二模拟信号；

所述发送端根据所述TrRF对所述第二模拟信号进行加权和功率放大处理，生成第三模拟信号；

所述发送端确定与所述第三模拟信号匹配的天线阵列，并通过所述与所述第三模拟信号匹配的天线阵列将所述第三模拟信号发射至所述接收端。

在第五方面的第一种可能的实现方式中，所述根据所述TrBB进行预编码处理生成第一模拟信号，包括：

所述发送端根据TrBB对所述第一数据流进行预编码得到预编码信号；

所述发送端将所述预编码信号进行数模转换处理生成所述第一模拟信号。

结合前述的第五方面以及第五方面的第一种可能的实现方式，在第五方面的第二种可能的实现方式中，所述发送端根据所述TrIF对所述第一模拟信号进行加权和功率放大处理生成第二模拟信号，包括：

所述发送端对所述第一模拟信号进行中频上变频处理；

所述发送端根据所述TrIF，对上变频后的第一模拟信号进行加权处理；

所述发送端对加权处理后的第一模拟信号进行功率放大处理，生成所述第二模拟信号。

结合前述的第五方面以及第五方面的第一至第二种可能的实现方式，在第五方面的第三种可能的实现方式中，所述发送端根据所述TrRF对所述第二模拟信号进行加权和功率放大处理生成第三模拟信号，包括：

所述发送端对所述第二模拟信号进行射频上变频处理；

所述发送端根据所述TrRF，对上变频后的第二模拟信号进行加权处理；

所述发送端对加权处理后的第二模拟信号进行功率放大处理，生成所述第三模拟信号。

结合前述的第五方面以及第五方面的第一至第三种可能的实现方式，在第五方面的第四种可能的实现方式中，所述发送端根据所述TrIF，对上变频后的第一模拟信号进行加权处理，其中，所述加权处理的方式为幅度加权和相位加权、幅度加权、相位加权中任一种。

结合前述的第五方面以及第五方面的第一至第四种可能的实现方式，在第五方面的第五种可能的实现方式中，所述发送端根据来自接收端的反馈信息，计算获得发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF，包括：

所述发送端根据所述反馈信息获取信道矩阵H和去波方向矢量信息；

所述发送端使用第一预置迭代函数处理所述信道矩阵H和去波方向矢量信息，进而获得所述TrBB、TrIF以及TrRF。

第六方面，本发明实施例提供了一种基于波束成形的通信方法，包括：

接收端根据来自发送端的反馈信息，计算获得接收端预编码矩阵 RxBB、接收端中频波束成形矩阵RxIF以及接收端射频端波束成形矩阵 RxRF，所述反馈信息包括信道矩阵H、AOA方向矢量信息以及发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF；

所述接收端获取第四模拟信号，并根据所述RxRF对所述第四模拟信号进行加权和功率放大处理生成第五模拟信号；

所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行加权和功率放大处理生成第六模拟信号；

所述接收端根据所述RxBB对所述第六模拟信号进行编码处理生成第二数据流，所述第二数据流用于解层映射。

在第六方面的第一种可能的实现方式中，所述根据所述RxRF对所述第四模拟信号进行加权和功率放大处理生成第五模拟信号，包括：

所述接收端根据所述RxRF对所述第四模拟信号进行加权处理；

所述接收端对加权处理后的第四模拟信号进行功率放大处理；

所述接收端对功率放大处理后的第四模拟信号进行射频下变频处理生成第五模拟信号。

结合前述的第六方面以及第六方面的第一种可能的实现方式，在第六方面的第二种可能的实现方式中，所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行加权和功率放大处理生成第六模拟信号，包括：

所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行加权处理；

所述接收端对加权处理后的第五模拟信号进行功率放大处理；

所述接收端对功率放大处理后的第五模拟信号进行中频下变频处理生成第六模拟信号。

结合前述的第六方面以及第六方面的第一至第二种可能的实现方式，在第六方面的第三种可能的实现方式中，所述接收端根据所述RxBB对所述第六模拟信号进行编码处理生成第二数据流，包括：

所述接收端对所述第六模拟信号转变为数字信号；

所述接收端根据所述RxBB对转变为数字信号的第六模拟信号进行加权处理得到所述第二数据流。

结合前述的第六方面以及第六方面的第一至第三种可能的实现方式，在第六方面的第四种可能的实现方式中，所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行加权处理，其中，所述加权处理的方式为幅度加权和相位加权、幅度加权、相位加权中任一种。

结合前述的第六方面以及第六方面的第一至第四种可能的实现方式，在第六方面的第五种可能的实现方式中，所述接收端根据来自发送端的反馈信息，计算获得接收端预编码矩阵RxBB、接收端中频波束成形矩阵RxIF以及接收端射频端波束成形矩阵RxRF，包括：

所述接收端获取所述反馈信息中的信道矩阵H、来波方向矢量信息、 TrBB、TrIF以及TrRF；

所述接收端使用第二预置迭代函数处理所述信道矩阵H、来波方向矢量信息、TrBB、TrIF以及TrRF，进而获得所述RxBB、RxIF以及RxRF。

本发明的实施例提供一种基于波束成形的通信方法及装置，利用三级结构的多波束系统可以在减小硬件实现复杂度的基础上，同时控制波束方向和波束宽度，不仅减少了波束控制所需要ADC/DAC的数目，还可以通过调整中频和射频端口的数目实现增益的调整。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明的实施例提供的一种发送端的结构示意图；

图2为本发明的实施例提供的一种接收端的结构示意图；

图3为本发明的实施例提供的一种发送端的硬件示意图一；

图4为本发明的实施例提供的一种接收端的硬件示意图；

图5为本发明的实施例提供的一种基于波束成形的通信方法的流程示意图一；

图6为现有技术提供的一种波束成形的方法的结构示意图一；

图7为现有技术提供的一种波束成形的方法的结构示意图二；

图8a为现有技术提供的一种波束成形的方法的结构示意图三；

图8b为现有技术提供的一种波束成形的方法的结构示意图四；

图9为本发明的实施例提供的一种发送端的硬件示意图二；

图10为本发明的实施例提供的一种基于波束成形的通信方法的流程示意图二；

图11为本发明的实施例提供的一种基于波束成形的通信方法的流程示意图三；

图12为本发明的实施例提供的一种基于波束成形的通信方法的流程示意图四；

图13为本发明的实施例提供的一种基于波束成形的通信方法的流程示意图五。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

相控阵天线，是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。在特殊情况下，也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状，例如获得余割平方形方向图和对方向图进行自适应控制等。用机械方法旋转天线时，惯性大、速度慢，相控阵天线克服了这一缺点，波束的扫描速度高。它的馈电相位一般用电子计算机控制，相位变化速度快(毫秒量级)，即天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。

波束成形，是天线技术与数字信号处理技术的结合，目的用于定向信号传输或接收。接收端的信号处理，可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，形成所需的理想信号。从天线方向图(pattern)视角来看，这样做相当于形成了规定指向上的波束。例如，将原来全方位的接收方向图转换成了有零点、有最大指向的波瓣方向图。同样原理也适用于发送端，发送端对天线阵元馈电进行幅度和相位调整，可形成所需形状的方向图。如果要采用波束成形技术，前提是必须采用多天线系统在接收端采用一定的算法对多个天线收到信号进行处理，就可以明显改善接收端的信噪比。即使在接收端较远时，也能获得较好的信号质量。

需要说明的是，本发明实施例中第一模拟信号、第二模拟信号以及第三模拟信号等只是为了用于区分不同的模拟信号，其对模拟信号本身并不构成限定。

实施例一

本发明的实施例提供一种发送端，如图1所示，所述发送端包括发送端预编码模块01，发送端中频波束成形模块02，发送端射频波束成形模块03，天线阵列模块04，以及发送端反馈模块05，其中：

所述发送端反馈模块05，用于根据来自接收端的反馈信息，获得发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF，所述反馈信息包括信道矩阵H和AOD方向矢量信息；

所述发送端预编码模块01，用于获取第一数据流，并根据所述TrBB对所述第一数据流进行预编码处理，生成第一模拟信号，所述第一数据流为待发送的码流通过加扰并进行层映射后生成的；

所述发送端中频波束成形模块02，用于根据所述TrIF对所述第一模拟信号进行加权和功率放大处理，生成第二模拟信号；

所述发送端射频波束成形模块03，用于根据所述TrRF对所述第二模拟信号进行加权和功率放大处理，生成第三模拟信号；

所述天线阵列模块04，用于确定与所述第三模拟信号匹配的天线阵列，并通过所述与所述第三模拟信号匹配的天线阵列将所述第三模拟信号发射至所述接收端。

进一步地，所述发送端预编码模块01，具体用于根据TrBB对所述第一数据流进行预编码得到预编码信号；以及对所述预编码信号进行数模转换处理生成所述第一模拟信号。

进一步地，所述发送端中频波束成形模块02，具体用于对所述第一模拟信号进行中频端上变频处理；根据所述TrIF，对中频端上变频后的第一模拟信号进行加权处理；对加权处理后的第一模拟信号进行功率放大处理，生成所述第二模拟信号。

进一步地，所述发送端射频波束成形模块03，具体用于对所述第二模拟信号进行射频端上变频处理；根据所述TrRF，对射频端上变频后的第二模拟信号进行加权处理；对加权处理后的第二模拟信号进行功率放大处理，生成所述第三模拟信号。

进一步地，所述发送端中频波束成形模块02，具体用于根据所述TrIF，对上变频后的第一模拟信号进行加权处理，其中，所述加权处理的方式可以为幅度加权和相位加权、幅度加权、相位加权中任一种。

进一步地，所述发送端反馈模块05，具体用于根据所述反馈信息获取信道矩阵H和去波方向矢量信息；并使用第一预置迭代函数处理所述信道矩阵H和去波方向矢量信息，进而获得所述TrBB、TrIF以及TrRF。

至此，发送端将接收到的第一数据流经过3个处理过程即基带预编码处理、中频波束成形处理、射频波束成形处理后发送至接收端，与现有技术相比，本方案能带来多方面的有益效果：第一，三级结构波束控制所需要ADC/DAC的数目减少；假设2种情况实现波束控制，情况1是采用三级波束控制，情况2是二级波束控制，假设两种情况对应的射频波束成形的矩阵维度相同，情况1则在基带部分采用较小预编码矩阵，在中频部分对信号进行加权处理，可以进一步的扩大阵列的维度，情况2则是直接采用基带预编码矩阵处理，相比可知，情况1所需要的ADC/DAC个数比情况2要少。第二，每个通道可根据复杂度的需求，便利的调整需要的增益；从前述方法可以看出，每个数据流可以灵活的通过IF的处理和RF的处理实现，此处可以通过调整IF输出端口数来实现增益的调整。第三，波束指向误差更小；另外，采用三级波束控制时，与二级波束控制区别之处是在中频端多增加一级波束控制，加权方式可选以下形式之一：①幅度加权和相位加权，②幅度加权，③相位加权，相比可知，三级波束控制系统得到的波束指向更准确，误差更小。第四，本方案可根据用户实际需要选择级数；根据用户实际需要控制每级开关，可分别选择1级/2级/3级来控制波束指向。

该方案利用三级结构的多波束系统可以在减小硬件实现复杂度的基础上，同时控制波束方向和波束精度，不仅减少了波束控制所需要 ADC/DAC的数目，还可以通过调整中频和射频端口的数目实现增益的调整。

实施例二

本发明的实施例提供一种接收端，如图2所示，所述接收端包括接收端预编码模块11，接收端中频波束成形模块12，接收端射频波束成形模块13，以及接收端反馈模块14，其中，

所述接收端反馈模块14，用于根据来自发送端的反馈信息，计算获得接收端预编码矩阵RxBB、接收端中频波束成形矩阵RxIF以及接收端射频端波束成形矩阵RxRF，所述反馈信息包括信道矩阵H、AOA方向矢量信息以及发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF；

所述接收端射频波束成形模块13，用于获取第一模拟信号，并根据所述RxRF对所述第一模拟信号进行加权和功率放大处理生成第二模拟信号；

所述接收端中频波束成形模块12，用于根据所述RxIF对所述第二模拟信号进行加权和功率放大处理生成第三模拟信号；

所述接收端预编码模块11，用于根据所述RxBB对所述第三模拟信号进行编码处理生成第二数据流，所述第二数据流用于解层映射。

进一步地，所述接收端射频波束成形模块13，具体用于所述接收端根据所述RxRF对所述第一模拟信号进行加权处理；对加权处理后的第一模拟信号进行功率放大处理；对功率放大处理后的第一模拟信号进行射频端下变频处理生成第二模拟信号。

进一步地，所述接收端中频波束成形模块12，具体用于根据所述RxIF对所述第二模拟信号进行加权处理；对加权处理后的第二模拟信号进行功率放大处理；对功率放大处理后的第二模拟信号进行中频端下变频处理生成第三模拟信号。

进一步地，所述接收端预编码模块11，具体用于对所述第三模拟信号转变为数字信号；根据所述RxBB对转变为数字信号的第三模拟信号进行加权处理得到所述第二数据流。

进一步地，所述接收端中频波束成形模块12，具体用于根据所述RxIF对所述第二模拟信号进行加权处理，其中，所述加权处理的方式为幅度加权和相位加权、幅度加权、相位加权中任一种。

进一步地，所述接收端反馈模块14，具体用于获取所述反馈信息中的信道矩阵H、来波方向矢量信息、发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF；使用第二预置迭代函数处理所述信道矩阵H、来波方向矢量信息、TrBB、TrIF以及TrRF，进而获得所述RxBB、RxIF以及RxRF。

本发明的实施例提供一种接收端，接收端根据来自发送端的反馈信息，获得接收端预编码矩阵RxBB、接收端中频波束成形矩阵RxIF以及接收端射频端波束成形矩阵RxRF，所述反馈信息包括信道矩阵H、AOA方向矢量信息以及发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF；所述接收端获取第一模拟信号，并根据所述RxRF对所述第一模拟信号进行加权和功率放大处理生成第二模拟信号；所述接收端根据所述RxIF对所述第二模拟信号进行加权和功率放大处理生成第三模拟信号；所述接收端根据所述RxBB对所述第三模拟信号进行编码处理生成第二数据流，所述第二数据流用于解层映射。该接收端利用三级结构的多波束系统可以在减小硬件实现复杂度的基础上，同时控制波束方向和波束宽度，不仅减少了波束控制所需要ADC/DAC的数目，还可以通过调整中频和射频端口的数目实现增益的调整。

实施例三

附图3和附图4示出的是本发明的一种基于波束成形的通信装置的硬件示意图：

该基于大阵列波束成形的通信装置包括发送端21和接收端22。

如图3，所示发送端21包括第一处理器32、第二处理器41、第一收发器31、第二收发器40、DAC转化器33、第一混频器34、第二混频器 37、第一移相器35、第二移相器38、第一功率放大器36、第二功率放大器39。

具体的，所述第一收发器31与所述第一处理器32相连，所述第一处理器32与DAC转化器33相连构成发送端预编码处理支路，其中，所述第一收发器31用于接收所述第一数据流并发送至所述第一处理器；所述第一处理器32用于将所述第一数据流与所述TrBB相乘；所述DAC转化器33将与所述TrBB相乘后的第一数据流进行数模转换处理生成所述第一模拟信号，所述第一数据流为码流通过加扰并进行层映射后生成的；需要说明的是，所述DAC转化器可能有1个或多个，本发明的实施例中不做限定。

所述第一混频器34与所述第一移相器35相连，所述第一移相器35 与所述第一功率放大器36相连构成发送端中频处理支路，其中，所述第一混频器34用于所述发送端对所述第一模拟信号进行中频端上变频处理；所述第一移相器35用于根据所述TrIF，对中频端上变频处理后的第一模拟信号进行加权处理；所述第一功率放大器36用于对加权处理后的第一模拟信号进行功率放大处理，生成所述第二模拟信号；

所述第二混频器37与所述第二移相器38相连，所述第二移相器38 与所述第二功率放大器39相连构成发送端射频处理支路，其中，所述第二混频器37用于对所述第二模拟信号进行射频端上变频处理；所述第二移相器38用于根据所述TrRF，对射频端上变频处理后的第二模拟信号进行加权处理；所述第二功率放大器39用于对加权处理后的第二模拟信号进行功率放大处理，生成所述第三模拟信号；

所述第二收发器40与所述第二处理器41 相连构成发送端反馈支路，其中，所述第二收发器40用于根据所述反馈信息获取信道矩阵H；所述第二处理器41用于根据所述信道矩阵H和所述反馈信息计算所述去波方向矢量信息，并使用第一预置迭代函数处理所述信道矩阵H和去波方向矢量信息，进而获得所述TrBB、TrIF以及TrRF；

其中，所述发送端预编码处理支路，发送端中频处理支路以及发送端射频处理支路分别与所述发送端反馈支路相连。

进一步地，所述第一移相器35，具体用于对中频端上变频后的第二模拟信号进行幅度加权和相位加权、幅度加权、相位加权中任一种。

如图4，所示接收端22包括第一移相器42、第二移相器45、第一功率放大器43、第二功率放大器46、第一混频器44、第二混频器47、DAC 转换器48、第一处理器49、第二处理器51、第一收发器50，其中，

所述第一移相器42与所述第一功率放大器43相连，所述第一功率放大器43与所述第一混频器44相连组成接收端射频处理支路，其中，所述第一移相器42用于根据所述RxRF对所述第一模拟信号进行加权处理；所述第一功率放大器43用于对加权处理后的第一模拟信号进行功率放大处理；所述第一混频器44用于对功率放大处理后的第一模拟信号进行射频端下变频处理生成第二模拟信号；

所述第二移相器45与所述第二功率放大器46相连，所述第二功率放大器46与所述第二混频器47相连组成接收端中频处理支路，其中，所述第二移相器45用于根据所述RxIF对所述第二模拟信号进行加权处理；所述第二功率放大器46用于对加权处理后的第二模拟信号进行功率放大处理；所述第二混频器47用于对功率放大处理后的第二模拟信号进行中频端下变频处理生成第三模拟信号；

所述DAC转换器48与所述第一处理器49相连组成接收端预编码处理支路，其中，所述DAC转换器48用于对所述第三模拟信号转变为数字信号；所述第一处理器49用于根据所述RxBB对转变为数字信号的第三模拟信号进行加权处理得到所述第二数据流，所述第二数据流用于解层映射；

所述第一收发器50与所述第二处理器51相连组成接收端反馈支路，其中，所述第一收发器50用于获取所述反馈信息中的信道矩阵H、发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF；所述第二处理器51用于根据所述反馈信息以及所述信道矩阵H计算所述来波方向矢量信息，并使用第二预置迭代函数处理所述信道矩阵H、来波方向矢量信息、TrBB、TrIF以及TrRF，进而获得所述RxBB、 RxIF以及RxRF。

其中，所述接收端预编码处理支路，接收端中频处理支路以及接收端射频处理支路分别与所述接收端反馈支路相连。

进一步地，所述第二移相器45，具体用于所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行幅度加权和相位加权、幅度加权、相位加权中任一种。

需要说明的是，本发明实施例中涉及的第一收发器和第二收发器的功能可以由一个收发器来完成；相应的，第一处理器和第二处理器的功能可以由一个处理器来完成；第一混频器和第二混频器的功能可以由一个收发器来完成。

至此，接收端将接收到的第一数据流经过3个处理过程即射频波束成形处理、中频波束成形处理、基带预编码处理后发送至发送端，与现有技术相比，本方案能带来多方面的有益效果：第一，三级结构波束控制所需要ADC/DAC的数目减少；假设2种情况实现波束控制，情况1是采用三级波束控制，情况2是二级波束控制，假设两种情况对应的射频波束成形的矩阵维度相同，情况1则在基带部分采用较小预编码矩阵，在中频部分对信号进行加权处理，可以进一步的扩大阵列的维度，情况2则是直接采用基带预编码矩阵处理，相比可知，情况1所需要的ADC/DAC个数比情况2要少。第二，每个通道可根据复杂度的需求，便利的调整需要的增益；从前述方法可以看出，每个数据流可以灵活的通过IF的处理和RF的处理实现，此处可以通过调整IF输出端口数来实现增益的调整。第三，波束指向误差更小；另外，采用三级波束控制时，与二级波束控制区别之处是在中频端多增加一级波束控制，加权方式可选以下形式之一：①幅度加权和相位加权，②幅度加权，③相位加权，相比可知，三级波束控制系统得到的波束指向更准确，误差更小。第四，本方案可根据用户实际需要选择级数；根据用户实际需要控制每级开关，可分别选择1级/2级/3级来控制波束指向。

本发明的实施例提供一种基于波束成形的通信装置，该装置利用三级结构的多波束系统可以在减小硬件实现复杂度的基础上，同时控制波束方向和波束宽度，不仅减少了波束控制所需要ADC/DAC的数目，还可以通过调整中频和射频端口的数目实现增益的调整。

实施例四

本发明的实施例提供一种基于波束成形的通信方法，如图5所示，包括：

101、发送端根据来自接收端的反馈信息，计算获得发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵 TrRF。

本发明的实施例提供一种基于波束成形的通信方法，利用三级结构的多波束系统可以在减小硬件实现复杂度的基础上，同时控制波束方向和波束宽度，不仅减少了波束控制所需要ADC/DAC的数目，还可以通过调整中频和射频端口的数目实现增益的调整。其中，所述反馈信息包括信道矩阵H和AOD方向矢量信息。

在现有技术中，实现大阵列波束成形技术方案基本可以划分为三类：基于数字预编码波束成形方案、基于模拟移相波束成形方案以及两级控制的数字和模拟混合波束成形方案。其中，如图6所示，为基于数字预编码波束成形方案，通过调整615/625数字预编码矩阵的权值来控制波束方向，利用该方案控制波束成形，然而，利用数字波束成形方案控制波束会导致降低旁瓣电平时，主瓣波束会被展宽，增益下降，并且该方案对射频链路中ADC/DAC器件的需求量很大，在硬件实现上的花费和功耗很多，所以利用数字波束成形方案的实用性较低。如图7所示，为基于模拟移相波束成形方案，通过改变移相器指向角度控制波束方向，移相器的权值产生可以在数字端进行处理，该方案较基于数字预编码波束成形方案而言虽然可以减少所需要DAC/ADC数目，但是移相器的权值只能依靠模拟调整，导致波束控制的灵活性降低。如图8a和8b所示，为两级控制的数字和模拟混合波束成形方案，图8a为数字和模拟混合波束成形方案发送端结构示意图，图8b为数字和模拟混合波束成形方案接收端结构示意图，该方案利用反馈信息估计出数字预编码矩阵和模拟波束成形矩阵实现波束控制，该方案在硬件实现复杂度和方案性能之间进行了折中，然而在控制波束方向和波束宽度的精度，以及ADC/DAC使用数目方面该方案仍然有待改进，因此，本发明的实施例提供一种基于波束成形的通信方法，通过多级联合控制波束，可以降低射频链路中ADC/DAC数目的需求，在实现大规模天线阵列的同时保证指向误差精度低和硬件实现复杂度低。另外，可根据实际用户需求自适应的选择波束控制的级数，达到优化资源分配或者提高通信质量的目的。

具体的，发送端包含3个处理过程即基带预编码处理、中频波束成形处理、射频波束成形处理。在所述基带预编码处理、中频波束成形处理、射频波束成形处理时需要用到发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF对信号进行加权处理。因此，发送端首先根据来自接收端的反馈信息，获取信道矩阵H；进而所述发送端根据所述信道矩阵H和所述反馈信息计算所述去波方向矢量信息，并使用第一预置迭代函数处理所述信道矩阵H和去波方向矢量信息，进而获得所述TrBB、TrIF以及TrRF。

其中，信道矩阵H是一种信道状态信息，反应信道Channel的都叫信道状态信息。信道矩阵只是MIMO系统中的一种信道状态信息。其他的比如Channel profile，多径时延，多普勒频偏，MIMO信道的秩，波束形成向量等等，都属于信道状态信息。

SVD分解(singular value decomposition,奇异值分解)是矩阵分解 (decomposition,factorization)的一种，将矩阵拆解为数个矩阵的乘积。奇异值分解(singular value decomposition,SVD)是另一种正交矩阵分解法；SVD是最可靠的分解法，但是它比QR分解法要花上近十倍的计算时间。[U,S,V]＝svd(A)，其中U和V代表二个相互正交矩阵，而S代表一对角矩阵。原矩阵A不必为正方矩阵。使用SVD分解法的用途是解最小平方误差法和数据压缩。

最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法还可用于曲线拟合。其他一些优化问题也可通过最小化能量或最大化熵用最小二乘法来表达。

另外，本实施例提供一种发送端计算获得发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF的方法，该方法将在实施例六中详细阐述，故此处不再赘述。

102、发送端获取第一数据流，并根据TrBB对第一数据流进行预编码处理，生成第一模拟信号。

其中，所述第一数据流为码流通过加扰并进行层映射后生成的。

具体的，发送端获取第一数据流，该数据流可以包括有Ns个信息流，进而发送端将所述第一数据流与所述TrBB相乘；然后所述发送端将与所述 TrBB相乘后的第一数据流进行数模转换处理生成所述第一模拟信号，所述 TrBB矩阵由反馈模块提供。

103、发送端根据TrIF对第一模拟信号进行加权和功率放大处理，生成第二模拟信号。

具体的，发送端生成第一模拟信号之后，发送端对所述第一模拟信号进行中频端上变频处理；然后所述发送端根据所述TrIF，对上变频后的第一模拟信号进行加权处理；进而使得所述发送端对加权处理后的第一模拟信号进行功率放大处理，生成所述第二模拟信号。相比步骤102，中频处理时将天线阵元数目进行扩大，其中，阵元又叫阵子，用来产生带方向的无线电磁波，天线包含有不同方向的阵元，能产生多波束的电磁波，中频波束成形矩阵TrIF由反馈模块提供。

进一步地，发送端根据所述TrIF，对上变频后的第一模拟信号进行加权处理可以包括：所述发送端根据所述TrIF，对中频端上变频后的第一模拟信号进行幅度加权；或者，所述发送端根据所述TrIF，对中频端上变频后的第一模拟信号进行相位加权；或者，所述发送端根据所述TrIF，对中频端上变频后的第一模拟信号进行幅度和相位加权。

又或者，如图9所示，在发送端对加权处理后的第一模拟信号进行功率放大处理之后，还可以通过使用联合器对第一信号进行联合处理，与图 3相较，其中图3中中频端输出天线端口数目是射频链路个数乘以每个中频通道对应的天线数，图9中中频端输出天线端口数目与每个射频链路个数一致。

针对高频无线通信，射频端对采样率需求很高，导致对硬件器件要求很严格，本方案提出采用三级联合波束控制，在射频模块之前增加一级中频控制模块控制波束，可降低对硬件器件要求，降低硬件实现的复杂度，同时多一级波束控制，可通过调整中频端输出的端口数灵活的实现所需要的增益。

104、发送端根据TrRF对第二模拟信号进行加权和功率放大处理，生成第三模拟信号。

具体的，发送端生成第二模拟信号之后，发送端对所述第二模拟信号进行射频端上变频处理；然后所述发送端根据所述TrRF，对上变频后的第二模拟信号进行加权处理；进而使得所述发送端对加权处理后的第二模拟信号进行功率放大处理，生成所述第三模拟信号。经过步骤104，发送端将天线阵元数目进一步的扩大到需要的数目，最后通过天线阵列选择天线将数据发送出去。

105、发送端确定与第三模拟信号匹配的天线阵列，并通过与第三模拟信号匹配的天线阵列将第三模拟信号发射至接收端。

其中，天线阵列是按照一定的要求进行馈电和空间排列构成的，由于单一天线的方向性是有限的，为适合各种场合的应用，将工作在同一频率的两个或两个以上的单个天线，按照一定的要求进行馈电和空间排列构成天线阵列，也叫天线阵。天线阵的主要作用有：(1)加强和改善辐射场的方向性。(2)加强辐射场的强度。天线阵列可以看成是电磁波(电磁场)的叠加。对几列电磁波来讲，当它们传到同一区域时，按照叠加原理，电磁波将产生矢量叠加。叠加结果不仅与各列电磁波的振幅大小有关，而且与它们在相遇区间内相互之间的相位差有关。

具体的，发送端的射频波束成形模块在生成第三模拟信号后，由于每个射频RF链路会有携带多个天线阵元，发送端可以根据不同需求采用一个RF链路在空间加权形成一个波束将第三模拟信号以电磁波的形式发送至接收端，也可以采用多个RF链路在空间加权形成一个波束将第三模拟信号以电磁波的形式发送至接收端，在现有相控阵系统中模拟信号与天线阵元匹配技术已经充分公开。故此处不再赘述。

至此，发送端将接收到的第一数据流经过3个处理过程即基带预编码处理、中频波束成形处理、射频波束成形处理发送至接收端，在减小硬件实现复杂度的基础上，同时控制波束方向和波束宽度的精度。

本发明的实施例提供一种基于波束成形的通信方法，利用三级结构的多波束系统可以在减小硬件实现复杂度的基础上，同时控制波束方向和波束宽度，不仅减少了波束控制所需要ADC/DAC的数目，还可以通过调整中频和射频端口的数目实现增益的调整。

实施例五

本发明的实施例提供一种基于波束成形的通信方法，如图10所示，包括：

201、接收端根据来自发送端的反馈信息，计算获得接收端预编码矩阵RxBB、接收端中频波束成形矩阵RxIF以及接收端射频端波束成形矩阵 RxRF。

其中，所述反馈信息包括信道矩阵H、AOA方向矢量信息以及发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF。

本发明的实施例提供一种基于波束成形的通信方法，利用三级结构的多波束系统可以在减小硬件实现复杂度的基础上，同时控制波束方向和波束宽度，不仅减少了波束控制所需要ADC/DAC的数目，还可以通过调整中频和射频端口的数目实现增益的调整。

具体的，接收端包含3个处理过程即基带预编码处理、中频波束成形处理、射频波束成形处理。在所述基带预编码处理、中频波束成形处理、射频波束成形处理时需要用到接收端预编码矩阵RxBB、接收端中频波束成形矩阵RxIF以及接收端射频端波束成形矩阵RxRF对信号进行加权处理。因此，所述接收端首先获取所述反馈信息中的信道矩阵H、发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵 TrRF；进而所述接收端根据所述反馈信息以及所述信道矩阵H计算所述来波方向矢量信息，并使用第二预置迭代函数处理所述信道矩阵H、来波方向矢量信息、TrBB、TrIF以及TrRF，进而获得所述RxBB、RxIF以及RxRF。具体的RxBB、RxIF以及RxRF的计算方法将在实施例六中详细阐述，故此处不再赘述。

202、接收端获取第四模拟信号，并根据RxRF对第四模拟信号进行加权和功率放大处理生成第五模拟信号。

具体的，所述接收端从天线阵列处获取第四模拟信号，进而根据所述 RxRF对所述第四模拟信号进行加权处理；然后所述接收端对加权处理后的第四模拟信号进行功率放大处理；最后所述接收端对功率放大处理后的第四模拟信号进行射频端下变频处理生成第五模拟信号。

203、接收端根据RxIF对第五模拟信号进行加权和功率放大处理生成第六模拟信号。

具体的，所述接收端生成第五模拟信号后，根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行加权处理；进而所述接收端对加权处理后的第五模拟信号进行功率放大处理；最后所述接收端对功率放大处理后的第五模拟信号进行中频下变频处理生成第六模拟信号。

进一步地，所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行加权处理可以包括：所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行幅度加权；或者，所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行相位加权；或者，所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行幅度和相位加权。

204、接收端根据RxBB对第六模拟信号进行编码处理生成第二数据流。

具体的，所述接收端生成第六模拟信号后，对所述第六模拟信号转变为数字信号；进而所述接收端根据所述RxBB对转变为数字信号的第六模拟信号进行加权处理得到所述第二数据流，所述第二数据流用于解层映射。

至此，接收端将接收到的第一数据流经过3个处理过程即射频波束成形处理、中频波束成形处理、基带预编码处理后发送至发送端，在减小硬件实现复杂度的基础上，同时控制波束方向和波束宽度的精度。

本发明的实施例提供一种基于波束成形的通信方法，接收端根据来自发送端的反馈信息，获得接收端预编码矩阵RxBB、接收端中频波束成形矩阵RxIF以及接收端射频端波束成形矩阵RxRF，所述反馈信息包括信道矩阵H、AOA方向矢量信息以及发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF；所述接收端获取第四模拟信号，并根据所述RxRF对所述第四模拟信号进行加权和功率放大处理生成第五模拟信号；所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行加权和功率放大处理生成第六模拟信号；所述接收端根据所述RxBB对所述第六模拟信号进行编码处理生成第二数据流，所述第二数据流用于解层映射。该方案利用三级结构的多波束系统可以在减小硬件实现复杂度的基础上，同时控制波束方向和波束宽度，不仅减少了波束控制所需要 ADC/DAC的数目，还可以通过调整中频和射频端口的数目实现增益的调整。

实施例六

本发明的实施例提供一种基于波束成形的通信方法，如图11所示，包括：

301、发送端根据来自接收端的反馈信息，计算获得发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵 TrRF。

本发明的实施例提供一种基于波束成形的通信方法，利用三级结构的多波束系统可以在减小硬件实现复杂度的基础上，同时控制波束方向和波束宽度，不仅减少了波束控制所需要ADC/DAC的数目，还可以通过调整中频和射频端口的数目实现增益的调整。

在现有技术中，实现大阵列波束成形技术方案基本可以划分为三类：基于数字预编码波束成形方案、基于模拟移相波束成形方案以及两级控制的数字和模拟混合波束成形方案。其中，如图6所示，为基于数字预编码波束成形方案，通过调整615/625数字预编码矩阵的权值来控制波束方向，利用该方案控制波束成形，然而，利用数字波束成形方案控制波束会导致降低旁瓣电平时，主瓣波束会被展宽，增益下降，并且该方案对射频链路中ADC/DAC器件的需求量很大，在硬件实现上的花费和功耗很多，所以利用数字波束成形方案的实用性较低。如图7所示，为基于模拟移相波束成形方案，通过改变移相器指向角度控制波束方向，移相器的权值产生可以在数字端进行处理，该方案较基于数字预编码波束成形方案而言虽然可以减少所需要DAC/ADC数目，但是移相器的权值只能依靠认为调整，导致波束控制的灵活性降低。如图8a和8b所示，为两级控制的数字和模拟混合波束成形方案，图8a为数字和模拟混合波束成形方案发送端结构示意图，图8b为数字和模拟混合波束成形方案接收端结构示意图，该方案利用反馈信息估计出数字预编码矩阵和模拟波束成形矩阵实现波束控制，该方案在硬件实现复杂度和方案性能之间进行了折中，然而在控制波束方向和波束宽度的精度，以及ADC/DAC使用数目方面该方案仍然有待改进，因此，本发明的实施例提供一种基于波束成形的通信方法，通过多级联合控制波束，可以降低射频链路中ADC/DAC数目的需求，在实现大规模天线阵列的同时保证指向误差精度低和硬件实现复杂度低。另外，可根据实际用户需求自适应的选择波束控制的级数，达到优化资源分配或者提高通信质量的目的。

针对高频无线通信，射频端对采样率需求很高，导致对硬件器件要求很严格，本方案提出采用三级联合波束控制，在射频模块之前增加一级中频控制模块控制波束，可降低对硬件器件要求，降低硬件实现的复杂度，同时多一级波束控制，可通过调整中频端输出的端口数灵活的实现所需要的增益。

具体的，发送端包含3个处理过程即基带预编码处理、中频波束成形处理、射频波束成形处理。在所述基带预编码处理、中频波束成形处理、射频波束成形处理时需要用到发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF对信号进行加权处理。因此，发送端首先根据来自接收端的反馈信息，获取信道矩阵H；进而所述发送端根据所述信道矩阵H和所述反馈信息计算所述去波方向矢量信息，并使用第一预置迭代函数处理所述信道矩阵H和去波方向矢量信息，进而获得所述TrBB、TrIF以及TrRF。

示例性的，如图12所示，本发明实施例提供一种多级架构下波束成形矩阵的构造方法。

401、发送端根据来自接收端的反馈信息获取信道矩阵H。

具体的，在FDD(Frequency Division Duplexing，频分双工)系统中发送端中的反馈模块可根据反馈通道获取信道矩阵H；在TDD(Time Division Duplexing，时分双工)系统中发送端中的反馈模块可基于信道的互惠性通过采用上行SRS估计得到信道矩阵H。

其中，TDD是在帧周期的下行线路操作中及时区分无线信道以及继续上行线路操作的一种技术，也是移动通信技术使用的双工技术之一，与 FDD相对应。

402、发送端对反馈信息进行AOD(Angle-of-departe)估计获得去波方向阵列矢量集合At。

AOD(Angle-of-departe，分离角测距)估计是基于信号分离角度的定位算法，是一种典型的基于测距的定位算法，通过某些硬件设备感知发射节点信号的分离方向，计算发送节点和锚节点之间的相对方位或角度，然后再利用三角测量法或其他方式计算出未知节点的位置。

403、发送端对信道矩阵H进行SVD分解生成Tropt初始值。

其中，SVD分解(singular value decomposition,奇异值分解)是矩阵分解(decomposition,factorization)的一种，他将矩阵拆解为数个矩阵的乘积。奇异值分解(singular value decomposition,SVD)是另一种正交矩阵分解法；SVD是最可靠的分解法，但是它比QR分解法要花上近十倍的计算时间。[U,S,V]＝svd(A)，其中U和V代表二个相互正交矩阵，而S 代表一对角矩阵。原矩阵A不必为正方矩阵。使用SVD分解法的用途是解最小平方误差法和数据压缩。

404、发送端使用第一预置迭代函数公式更新Tropt。

具体的，循环迭代估计出RF(Radio Frequency，射频)和 IF(Intermediate Frequency，中频)集合。

首先构造代价函数ft(x)＝(At)^H*Tropt，利用代价函数 k＝argmax(ft(x)*(ft(x))^H)选取At中合适的向量组合成RF和IF集合

进而利用最小二乘法估计出TX基带预编码矩阵TrBB；其中，其中，最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法还可用于曲线拟合。其他一些优化问题也可通过最小化能量或最大化熵用最小二乘法来表达。

进一步地，更新Tropt解，并判断指示变量ii是否大于若不满足，则跳转到步骤402继续迭代估计，直到满足要求为止。

其中，

405、发送端固定TrBB,对Tran进行SVD分解，选取右奇异矩阵作为TrIF, 选取左奇异矩阵作为TrRF。

固定TrBB，对Tran进行分解分别获得TrIF、TrRF，本方案可以采用对Tran进行SVD分解，选取右奇异矩阵作为TrIF，选取左奇异矩阵作为TrRF。

406、发送端进行归一化处理得到TrBB、TrIF以及TrRF。

至此，发送端根据接收端发送的反馈信息，获得发送端预编码矩阵 TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF。

302、接收端根据来自发送端的反馈信息，计算获得接收端预编码矩阵RxBB、接收端中频波束成形矩阵RxIF以及接收端射频端波束成形矩阵 RxRF。

具体的，接收端包含3个处理过程即基带预编码处理、中频波束成形处理、射频波束成形处理。在所述基带预编码处理、中频波束成形处理、射频波束成形处理时需要用到接收端预编码矩阵RxBB、接收端中频波束成形矩阵RxIF以及接收端射频端波束成形矩阵RxRF对信号进行加权处理。因此，所述接收端首先获取所述反馈信息中的信道矩阵H、发送端预编码矩阵TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵 TrRF；进而所述接收端根据所述反馈信息以及所述信道矩阵H计算所述来波方向矢量信息，并使用第二预置迭代函数处理所述信道矩阵H、来波方向矢量信息、TrBB、TrIF以及TrRF，进而获得所述RxBB、RxIF以及RxRF。

示例性的，如图13所示，本发明实施例提供一种多级架构下波束成形矩阵的构造方法。

501、接收端根据所述反馈信息获取信道矩阵H、发送端预编码矩阵 TrBB、发送端中频波束成形矩阵TrIF以及发送端射频端波束成形矩阵TrRF。

502、接收端对反馈信息进行AOA(Angle-of-Arrival，到达角度测距) 估计获得去波方向阵列矢量集合Ar。

其中，AOA估计是基于信号到达角度的定位算法，是一种典型的基于测距的定位算法，通过某些硬件设备感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和锚节点之间的相对方位或角度，然后再利用三角测量法或其他方式计算出未知节点的位置。基于信号到达角度(AOA)的定位算法是一种常见的无线传感器网络节点自定位算法，算法通信开销低，定位精度较高。

503、接收端固定TrBB、TrIF、TrRF,并进行初始化，计算接收端最优矩阵集合RxMMSE＝H*RxBB*RxIF*RxRF。

另外，在进行初始化之前，还可以获取通过信道之后的信号 y＝H*TrRF*TrIF*TrBB*s(t)+n(t),其中：H代表信道矩阵，s(t)代表输入的单流或多流信号，n(t)代表高斯白噪声。

504、接收端使用第二预置迭代函数公式更新RxMMSE。

具体的，接收端首先构建函数kr＝fr(x)在“来波方向矢量集合Ar”中选取合适矢量组成。

首先构造代价函数fr(x)＝(At)^H*E[yy^*]*RxMMSE，利用代价函数 k＝argmax(fr(x)*(fr(x))^H)选取At中合适的向量组合成RF和IF集合

进而，接收端利用Rxan基于MMSE准则估计出基带预编码矩阵RxBB。

其中，MMSE(Minimum Mean Square Error，最小均方误差准则)是用来最佳化权值系数，得到最小均方误差意义下的最佳谱估计。

再进一步地，接收端更新

具体的，接收端更新RxMMSE，并判断指示变量kk是否大于若不满足，则跳转到步骤503继续迭代估计，直到满足要求为止.

505、接收端固定RxBB,对Rxan进行SVD分解，选取右奇异矩阵为RxIF, 选取左奇异矩阵作为RxRF。

具体的，固定RxBB，对Rxan进行分解分别获得RxIF、RxRF。本方案可以采用对Rxan进行SVD分解，选取右奇异矩阵作为RxIF，选取左奇异矩阵作为RxRF。

506、接收端进行归一化处理得到接收端预编码矩阵RxBB、接收端中频波束成形矩阵RxIF以及接收端射频端波束成形矩阵RxRF。

需要说明的是，本发明实施例中(·)^H代表共轭转置，||·||F代表酉不变范数。

至此，接收端根据发送端发送的反馈信息，获得接收端预编码矩阵RxBB、接收端中频波束成形矩阵RxIF以及接收端射频端波束成形矩阵 RxRF。

303、发送端获取第一数据流，并根据TrBB对第一数据流进行预编码处理，生成第一模拟信号。

本发明实施例中的发送端包括发送端预编码单元，发送端中频波束成形单元，发送端射频波束成形单元，以及发送端反馈单元，

具体的，发送端预编码单元获取第一数据流，该数据流可以包括有 Ns个信息流，进而发送端预编码单元将所述第一数据流与所述TrBB相乘；然后所述发送端预编码单元将与所述TrBB相乘后的第一数据流进行数模转换处理生成所述第一模拟信号。

优选的，所述发送端预编码单元由第一收发器、第一处理器以及第一 DAC转化器组成，其中，所述第一收发器用于接收所述第一数据流并发送至处理器；所述第一处理器用于将所述第一数据流与所述TrBB相乘；所述 DAC转化器将与所述TrBB相乘后的第一数据流进行数模转换处理生成所述第一模拟信号。

304、发送端根据TrIF对第一模拟信号进行加权和功率放大处理，生成第二模拟信号。

具体的，发送端预编码单元生成第一模拟信号之后，发送端中频波束成形单元对所述第一模拟信号进行中频端上变频处理；然后所述发送端中频波束成形单元根据所述TrIF，对上变频后的第一模拟信号进行加权处理；进而使得所述发送端中频波束成形单元对加权处理后的第一模拟信号进行功率放大处理，生成所述第二模拟信号。

优选的，所述发送端中频波束成形单元由至少一组串联的第一混频器、第一移相器以及第一功率放大器组成，所述第一混频器用于所述发送端对所述第一模拟信号进行上变频处理；所述第一移相器用于根据所述 TrIF，对上变频后的第一模拟信号进行加权处理；所述第一功率放大器用于对加权处理后的第一模拟信号进行功率放大处理，生成所述第二模拟信号。

进一步地，发送端根据所述TrIF，对上变频后的第一模拟信号进行加权处理可以包括：所述发送端根据所述TrIF，对上变频后的第一模拟信号进行幅度加权；或者，所述发送端根据所述TrIF，对上变频后的第一模拟信号进行相位加权；或者，所述发送端根据所述TrIF，对上变频后的第一模拟信号进行幅度和相位加权。

305、发送端根据TrRF对第二模拟信号进行加权和功率放大处理，生成第三模拟信号。

具体的，发送端中频波束成形单元生成第二模拟信号之后，发送端射频波束成形单元对所述第二模拟信号进行射频端上变频处理；然后所述发送端射频波束成形单元根据所述TrRF，对上变频后的第二模拟信号进行加权处理；进而使得所述发送端射频波束成形单元对加权处理后的第二模拟信号进行功率放大处理，生成所述第三模拟信号。

优选的，所述发送端射频波束成形单元由至少一组串联的第二混频器、第二移相器以及第二功率放大器组成，所述第二混频器用于对所述第二模拟信号进行上变频处理；所述第二移相器用于根据所述TrRF，对上变频后的第二模拟信号进行加权处理；所述第二功率放大器用于对加权处理后的第二模拟信号进行功率放大处理，生成所述第三模拟信号。

306、发送端确定与第三模拟信号匹配的天线阵列，并通过与第三模拟信号匹配的天线阵列将第三模拟信号发射至接收端。

至此，发送端将接收到的第一数据流经过3个处理过程即基带预编码处理、中频波束成形处理、射频波束成形处理发送至接收端，在减小硬件实现复杂度的基础上，同时控制波束方向和波束宽度的精度。

307、接收端获取第四模拟信号，并根据RxRF对第四模拟信号进行加权和功率放大处理生成第五模拟信号。

本发明的实施例中，所述接收端包括接收端反馈单元，接收端射频波束成形单元，接收端中频波束成形单元，接收端预编码单元。

具体的，所述接收端射频波束成形单元从天线阵列处获取第四模拟信号，进而根据所述RxRF对所述第四模拟信号进行加权处理；然后所述接收端射频波束成形单元对加权处理后的第四模拟信号进行功率放大处理；最后所述接收端射频波束成形单元对功率放大处理后的第四模拟信号进行射频端下变频处理生成第五模拟信号。

优选的，所述接收端射频波束成形单元由至少一组串联的第三移相器、第三功率放大器以及第三混频器组成，所述第三移相器用于根据所述 RxRF对所述第四模拟信号进行加权处理；所述第三功率放大器用于对加权处理后的第四模拟信号进行功率放大处理；所述第三混频器用于对功率放大处理后的第四模拟信号进行射频端下变频处理生成第五模拟信号。

308、接收端根据RxIF对第五模拟信号进行加权和功率放大处理生成第六模拟信号。

具体的，所述接收端射频波束成形单元生成第五模拟信号后，接收端中频波束成形单元根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行加权处理；进而所述接收端中频波束成形单元对加权处理后的第五模拟信号进行功率放大处理；最后所述接收端中频波束成形单元对功率放大处理后的第五模拟信号进行中频端下变频处理生成第六模拟信号。

进一步地，所述接收端中频波束成形单元根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行加权处理可以包括：所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行幅度加权；或者，所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行相位加权；或者，所述接收端根据所述RxIF对所述第五模拟信号进行幅度和相位加权。

优选的，所述接收端中频波束成形单元由至少一组串联的第四移相器、第四功率放大器以及第四混频器组成，所述第四移相器用于根据所述 RxIF对所述第五模拟信号进行加权处理；所述第四功率放大器用于对加权处理后的第五模拟信号进行功率放大处理；所述第四混频器用于对功率放大处理后的第五模拟信号进行下变频处理生成第六模拟信号。

309、接收端根据RxBB对第六模拟信号进行编码处理生成第二数据流。

具体的，所述接收端中频波束成形单元生成第六模拟信号后，接收端预编码单元对所述第六模拟信号转变为数字信号；进而所述接收端预编码单元根据所述RxBB对转变为数字信号的第六模拟信号进行加权处理得到所述第二数据流，所述第二数据流用于解层映射。

优选的，所述接收端预编码单元由第二DAC转换器和第三处理器组成，所述第二DAC转换器用于对所述第六模拟信号转变为数字信号；所述第三处理器用于根据所述RxBB对转变为数字信号的第六模拟信号进行加权处理得到所述第二数据流。

至此，接收端将接收到的第一数据流经过3个处理过程即射频波束成形处理、中频波束成形处理、基带预编码处理后发送至发送端，与现有技术相比，本方案能带来多方面的有益效果：第一，三级结构波束控制所需要ADC/DAC的数目减少；假设2种情况实现波束控制，情况1是采用三级波束控制，情况2是二级波束控制，假设两种情况对应的射频波束成形的矩阵维度相同，情况1则在基带部分采用较小预编码矩阵，在中频部分对信号进行加权处理，可以进一步的扩大阵列的维度，情况2则是直接采用基带预编码矩阵处理，相比可知，情况1所需要的ADC/DAC个数比情况2要少。第二，每个通道可根据复杂度的需求，便利的调整需要的增益；从前述方法可以看出，每个数据流可以灵活的通过IF的处理和RF的处理实现，此处可以通过调整IF输出端口数来实现增益的调整。第三，波束指向误差更小；另外，采用三级波束控制时，与二级波束控制区别之处是在中频端多增加一级波束控制，加权方式可选以下形式之一：①幅度加权和相位加权，②幅度加权，③相位加权，相比可知，三级波束控制系统得到的波束指向更准确，误差更小。第四，本方案可根据用户实际需要选择级数；根据用户实际需要控制每级开关，可分别选择1级/2级/3级来控制波束指向。

本发明的实施例提供一种基于波束成形的通信方法，利用三级结构的多波束系统可以在减小硬件实现复杂度的基础上，同时控制波束方向和波束宽度，不仅减少了波束控制所需要ADC/DAC的数目，还可以通过调整中频和射频端口的数目实现增益的调整。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

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单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，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)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U 盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。