一种受独立功率约束的开关模拟波束成形系统的制作方法

本发明涉及一种模拟波束成形系统，尤其涉及一种受独立功率约束的开关模拟波束成形系统。

背景技术：

在未来5G的潜在技术中，已经证明大规模多输入多输出(MIMO)能够将系统频谱效率提高几倍。典型的大规模MIMO系统是蜂窝通信，其中基站(BS)配备有大量天线以服务移动用户。此外，随着高频通信(特别是高于30GHz)的发展，大量天线不仅是可能的，而且还必须补偿由于紧凑的天线尺寸而引起的小阵列增益。

数字波束成形是MIMO系统中发展良好的技术，其具有灵活性，适应性和性能优化的优点。然而，数字波束成形太昂贵并且太耗功率不能应用于大规模MIMO中，因为每个天线均与一个昂贵的RF(射频)链连接，通常由功率放大器、模数或数模转换器、模拟转换器和混频器等组成。

随着高频通信的发展，特别是60GHz的发展，由于紧凑型天线的尺寸，大量的天线不但是可能而且是必须用来补偿小阵列增益。为了节省数字波束形成中射频链(RF链的成本和功耗非常高)的数目，在RF域中对模拟域的波束形成操作采用移相器和功率放大器的方法，重新获得了更多的关注。模拟RF架构和波束形成算法的设计已在一些出版物被彻底研究。这些工作表明，与使用数字波束形成的传统架构相比，使用模拟波束形成的性能缺陷通过降低硬件开销成本是合理的。虽然模拟波束形成有功率和成本方面的优势，但是在设计RF硬件时，特别是对于毫米波(mm-wave)载波信号，完成模拟波束形成会遇到巨大的挑战和可靠性问题。现有技术中也有人提出了一些简单的模拟波束形成结构来降低其硬件复杂度，但却是以降低性能为代价实现的。与移相器一样，具有可变增益的射频功率放大器也十分必要，这也是使得在实现模拟波束形成时仍具有挑战性和昂贵的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是需要提供一种合理控制成本、体积小、速度快、线性带宽且频率高的受独立功率约束的的开关模拟波束成形系统。

对此，本发明提供一种受独立功率约束的开关模拟波束成形系统，包括：发射端射频链、射频开关组件和接收端射频链，所述发射端射频链与射频开关组件的输入端相连接，所述射频开关组件的输出端与所述接收端射频链相连接；其中，所述射频开关组件包括N个发射射频开关以及N个与发射射频开关相对应的发射射频天线，N为发射射频天线的个数，N取自然数；所述射频开关组件选择一个射频开关作为接收射频开关，以实现发射射频开关与接收射频开关之间的点对点传输，且所述发射射频开关与接收射频开关之间的信道具有高斯分布的独立分布变量，所述开关模拟波束成形系统根据信道信息控制射频开关组件的射频开关状态以最大化接收信噪比；所述射频开关组件的每一个发射射频天线的发射功率由发射机的发射功率单独约束。

本发明的进一步改进在于，所述N个发射射频开关的输入端均与所述发射端射频链的输出端相连接，每一个发射射频开关的输出端分别连接至一个与之一一对应的发射射频天线。

本发明的进一步改进在于，所述射频开关组件还包括接收射频开关以及与接收射频开关相对应的接收射频天线，所述接收射频开关的输入端连接至与之一一对应的接收射频天线，所述接收射频开关的输出端均与所述接收端射频链的输入端相连接。

本发明的进一步改进在于，所述发射端射频链中，发射机通过功率放大器连接至分流器的输入端，所述分流器的输出端连接至所述射频开关组件的发射射频开关。

本发明的进一步改进在于，所述接收端射频链中，接收机通过低噪声放大器连接至组合器的输出端，所述组合器的输入端连接至所述射频开关组件的接收射频开关。

本发明的进一步改进在于，所述接收机的基带接收信号系统模型为接收机接收的信噪比为其中，P_o为发射机的发射功率；h_j为第j个发射射频天线与接收射频天线之间的信道系数，h_j,0≤j≤N都是服从复高斯分布CN(0,1)的独立同分布变量；x为发射机的基带发送信号；n～CN(0,σ²)表示接收机的高斯白噪声；T为发射射频天线的集合；|∑_j∈Th_j|²为接收机的信号功率。

本发明的进一步改进在于，每一个发射射频天线均以其最大化的发射功率发送射频信号。

本发明的进一步改进在于，所述开关模拟波束成形系统根据信道信息控制射频开关组件的射频开关状态以最大化接收信噪比包括以下步骤：

步骤S1，根据N个发射射频天线的信道系数，针对这N个信道系数划N条正交垂线，将N个发射射频天线组成的复平面分为共2N个扇区；

步骤S2，对每一个扇区，确定一个对应集合V_K；

步骤S3，对第一个集合V₁，计算其中的所有信道系数之和

步骤S4，对后面的集合依次计算其中所有的信道系数之和

k(k＝2,…,2N)；

步骤S5，对所有的f_k，选择其绝对值最大的一个；将绝对值最大的f_k所对应的集合V_K作为发射射频天线的集合T。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S2中，若第i个信道系数h_i在扇区k的投影是正数，则h_i∈V_k；否则

本发明的进一步改进在于，所述步骤S1中，绘制了N个信道系数h_j(j＝1；2；…；N)的二维复平面，其水平轴和纵轴分别对应实部和虚部；然后对每个信道系数h_j绘制其通过原点的正交线，得到2N个扇区。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：基于信道状态信息，多个发射射频天线中的每一个被接通或断开以实现波束成形，可以显著减少在传统模拟波束成形系统中采用的高成本、大功率消耗和体积庞大的模拟移相器，本发明仅使用简单的模拟开关来实现开关模拟波束形成增益，所有选择的射频天线直接连接到一个对应的射频链而无需其他射频链或移相器等任何预处理设备，本发明所述开关模拟波束成形系统的效果是通过选择一部分的射频天线来简单地实现，并且可以实现完全复用增益和全部的分集增益。

附图说明

图1是本发明一种实施例的系统结构示意图；

图2是现有技术中数字波束形成开关的原理示意图；

图3是现有技术中模拟波束形成开关的原理示意图；

图4是现有技术中天线选择的原理示意图；

图5是本发明一种实施例的详细系统模型示意图；

图6是本发明一种实施例中4个信道系数将复平面分成8个扇区的原理示意图；

图7是本发明一种实施例通过增加天线数量来仿真接收机的归一化信噪比的示意图；

图8是本发明一种实施例通过对每个信道实现的瞬时速率进行平均来获得接收机的平均可实现速率的仿真示意图；

图9是本发明一种实施例接收机信噪比小于给定阈值的概率仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

如图1所示，本例提供一种受独立功率约束的开关模拟波束成形系统，包括：发射端射频链、射频开关组件和接收端射频链，所述发射端射频链与射频开关组件的输入端相连接，所述射频开关组件的输出端与所述接收端射频链相连接；其中，所述射频开关组件包括N个发射射频开关以及N个与发射射频开关相对应的发射射频天线，N为发射射频天线的个数，N取自然数；所述射频开关组件选择一个射频开关作为接收射频开关，以实现发射射频开关与接收射频开关之间的点对点传输，且所述发射射频开关与接收射频开关之间的信道具有高斯分布的独立分布变量，所述开关模拟波束成形系统根据信道信息控制射频开关组件的射频开关状态以最大化接收信噪比；所述射频开关组件的每一个发射射频天线的发射功率由发射机的发射功率单独约束。

如图1所示，所述N个发射射频开关的输入端均与所述发射端射频链的输出端相连接，每一个发射射频开关的输出端分别连接至一个与之一一对应的发射射频天线；所述射频开关组件还包括接收射频开关以及与接收射频开关相对应的接收射频天线，所述接收射频开关的输入端连接至与之一一对应的接收射频天线，所述接收射频开关的输出端均与所述接收端射频链的输入端相连接。

与传统的AF结构不同的是，本例提出使用射频开关这种简单的模拟开关替换掉笨重而且昂贵的移相器来完成开关模拟波束形成的实现，本例称之为OABF，也就是所述基于前置天线功率约束的开关模拟波束成形系统简称OABF，即On-off Analog Beamforming。事实上，市场上的射频开关已被广泛地应用于无线收发器中，并且他们具有非常吸引人的属性，例如，便宜、体积小和速度快，几乎不消耗功率，线性带宽以及高频率等。特别是，本例跟据信道信息通过控制射频天线的开关状态使得接收的SNR最大化，SNR为信噪比。寻找射频天线的最优子集看起来像一个组合优化问题，也就是通常所说的NP-hard(非确定多项式问题)。

值得一提的是，本例利用同时正交匹配追踪策略来解决特定的开关模拟波束形成，看起来其难度随天线数量指数增长。但是事实与直觉相反，我们发现只有线性复杂性和多项式复杂性来确定每个射频天线的开关状态。更重要的是，本例从理论上证明本例所述开关模拟波束成形系统(OABF)可以实现完全复用增益和全部的分集增益，基于本例所述开关模拟波束成形系统根据信道信息控制射频开关组件的射频开关状态以最大化接收信噪比的步骤。所述射频天线包括了发射射频天线和接收射频天线。

本例所述开关模拟波束形成与经充分研究的子集天线选择方案基本不同，其中从总共N个天线中选择最佳k个天线。在传统的天线选择中，每个选定的天线由一个RF链(或一个模拟移位器)连接以实现相干组合。因此，k通常由可用RF链的数量确定，并且波束形成效应来自RF链(或移相器)的信号处理。而在本例所述开关模拟波束成形系统(OABF)中，所有选择的射频天线直接连接到一个RF链而没有任何预处理设备，即没有经过其他RF链和移相器等任何预处理设备，所述开关模拟波束成形系统的效果是通过选择一部分的射频天线简单地实现。

OABF的结构介绍如下：为了比较，首先回顾现有技术中的三个典型的已有的多天线波束形成的结构、数字波束形成、相位对齐的模拟波束形成以及天线选择。

在当今大多数的无线系统中，完全最优波束形成都是在数字域实现的，其中每一个天线后面伴随一个射频链是为了将其转化为基带数字信号，不仅是幅度而且信号的相位也随数字域的情况作相应的调整，其结构图如图2所示；在具有高频率和宽的带宽的通信中，射频链的成本，尤其是价格和空间成本，比天线高得多。

对于毫米波通信，天线的尺寸以及天线的增益大大降低了；当在低频系统中要维持天线增益，波束形成方式需要大量的天线来发送是必不可少的。然而，大量的天线肯定会显著增加数字波束成形系统中射频链的成本。因此，其它的波束形成方案已经被提出来节省射频链，并维持多天线增益。

一个典型的方案是模拟波束形成，其满足在模拟域中的波束形成的操作，如图3所示，在模拟波束形成中，每一个天线都与一个模拟移相器相连接，这样是为了在发送端被射频链分离后(或者说在接收端结合之前可以满足射频链)可以构成模拟射频信号的波束形成系数。由于受模拟移相器的约束，通常来说仅仅是每个天线信号的相位被控制的。

模拟移相器，尤其是具有宽带宽和高频能力的那些移相器，也是非常昂贵和庞大的；更低复杂度/成本的方案就是天线选择，选择时仅仅将一根天线连接到射频链，如图4所示，天线选择方案也可以获得全分集增益。但是，其阵列增益仅为比全阵列增益要小的多。

在模拟波束形成与天线选择的比较中，本例使用了信号经过相位对齐的所有射频天线，而射频天线选择仅仅使用一个不经过任何进一步信号处理的天线。本例中，采用了一种介于天线选择与模拟波束形成之间新的低复杂度的开关模拟波束成形系统的结构，选中的发送信号的发射射频天线子集不需要做任何的射频信号处理，而其它的天线都是未连接的，如图1所示。在本例中，被选择的射频天线所对应的射频开关始终保持开启状态而其它的则为关闭状态。因此，本例称其为前置天线功率约束的开关模拟波束成形系统，简称OABF。

在OABF中，选取N个发射射频天线中具有更好信道条件和相似相位的子集与射频链相连接。如果基数的子集被限制为1，则OABF退化为如图3所示的天线选择方案。另一方面，若开关模拟波束成形系统的模拟系数被限制为0或1，则其为本例所述的OABF。

本例等价于基带系统模型，在这首先介绍一个简单的系统模型和相应的符号。为不失一般性，本例考虑发射机有N个发射射频天线，并且在接收机处具有一个接收射频天线的点对点传输系统。扩展到多个接收射频天线的情况也十分简单。我们假定仅有一个数据流，因此每边有一个射频链。第j个发送天线与接收射频天线之间的信道表示为h_j，其被发射机通过一些反馈方案或信道的互易性完全预知，因此对于发射机来说完全是已知的。我们进一步假设所有的h_j,0≤j≤N都是服从复高斯分布CN(0,1)的独立同分布变量；信道系数在一个分组传输期间保持恒定，并且在不同分组传输之间独立地改变。该通道模型被验证并且被用于其中具有全向天线的便携式终端以步行速度移动的室内mm波通信场景。

更详细的OABF传输结构如图5所示，本例用P_j表示第j个天线的发送功率；在发射机处，一些发射射频天线形成了集合T，并用来发送和传输。然后，接收机的基带接收信号y为，s.t＝1if h_i∈T,else I_i＝0。

其中，n～CN(0,σ²)表示接收机的高斯白噪声；I_i是指示变量，T为发射射频天线的集合，即集合{h₁,h₂…h_N}；通过经验，选择最佳集合T以优化接收SNR是组合优化问题，并且具有关于天线数量的指数复杂度。

如图5所示，所述发射端射频链中，发射机通过功率放大器连接至分流器的输入端，所述分流器的输出端连接至所述射频开关组件的发射射频开关；所述接收端射频链中，接收机通过低噪声放大器连接至组合器的输出端，所述组合器的输入端连接至所述射频开关组件的接收射频开关。

本例每个发射端的天线有独立的功率约束，即每个发射射频天线的发射功率由发射机的单独功率约束i.e.，P_j≤P_o，该公式中，表示的是对每一个发射射频天线j，其发射功率小于给定的最大功率Po；对于性能比较，本例主要分析了实现传输波束形成的两种基本渐进增益：阵列增益和分集增益。阵列增益指的是在总共N个发射射频天线的情况下，在输入信噪比SNR上的平均输出SNR的增加；分集增益指的是在衰落之前平均的误码率的平均值的减小比率；含有N个发射射频天线的输入信噪比关于平均输出信噪比的增加被称为阵列增益，衰落关于误码率P_e的平均衰减率。

我们考虑每个发射射频天线的发射功率分别由发射机的发射功率P_o限制的情况，并且对总发射功率没有任何约束。该假设是由实际实现的发射机中的每个天线由分离的功率放大器驱动的情况导致的，该功率放大器仅在其发射功率低于预设阈值时才正常工作。在当前的模拟波束成形系统中，分离的发射功率约束有时比和功率约束更相关。

然后，每一个发射射频天线均以其最大化的发射功率发送射频信号，所述接收机的基带接收信号系统模型为因此，接收机接收的信噪比为其中，P_o为发射机的发射功率；h_j为第j个发射射频天线与接收射频天线之间的信道系数，h_j,0≤j≤N都是服从复高斯分布CN(0,1)的独立同分布变量；x为发射机的基带发送信号；n～CN(0,σ²)表示接收机的高斯白噪声；T为发射射频天线的集合；|∑_j∈Th_j|²为接收机的信号功率。

在本例中，先介绍一个最优和线性复杂性算法OABF-s，以确定集T以便最大化信噪SNR。之后，我们通过提供次优的桥算法来证明OABF-s的全分集增益和全阵列增益；具体如下所述。

本例所述开关模拟波束成形系统根据信道信息控制射频开关组件的射频开关状态以最大化接收信噪比包括以下步骤：

步骤S1，根据N个发射射频天线的信道系数，针对这N个信道系数划N条正交垂线，将N个发射射频天线组成的复平面分为共2N个扇区；

步骤S2，对每一个扇区k，确定一个对应集合V_k，h_i∈V_k表示的是如果h_i在扇区k的投影是正数；

步骤S3，对第一个集合V₁，计算其中的所有信道系数之和

步骤S4，对后面的集合依次计算其中所有的信道系数之和

k(k＝2,…,2N)；

步骤S5，对所有的f_k，选择其绝对值最大的一个；将绝对值最大的f_k所对应的集合V_K作为发射射频天线的集合T。

本例所述步骤S2中，若第i个信道系数h_i在扇区k的投影是正数，则h_i∈V_k；否则如图6所示，本例所述步骤S1中，绘制了N个信道系数h_j(j＝1；2；…；N)的二维复平面，其水平轴和纵轴分别对应实部和虚部；然后对每个信道系数h_j绘制其通过原点的正交线，得到2N个扇区。

接下来，本例提出一些仿真数值结果来显示所提出的开关模拟波束成形系统的性能。在仿真中，接收机侧的噪声方差被归一化为单位1。利用每个发射射频天线的发射功率由发射机的单独功率约束，每个发射射频天线的发射功率被设置为固定值P_o。每个信道系数是随机生成的复杂高斯分布n～CN(0,1)。为了一致性的目的，本例仍然将等增益方案称为现有技术的最佳方案。

如图7所示，Benin通过增加天线数量来仿真接收机处的归一化信噪比SNR，其被定义为接收除以发射功率P_o|T|，以便示出不同方案的阵列增益。由图7可以看到，本例所述开关模块波束成形系统(OABF)和现有技术的最佳方案的归一化SNR随天线数量线性增加，即获得全阵列增益；另一方面，天线选择方案的归一化SNR以对数的方式增加。图7中，纵坐标的指的是Normalized Received SNR指的是归一化信噪比；横坐标的Number of Antennas指的是复数形式的数量，用于代表着天线数目增加；OABF指的是本例所述开关模块波束成形系统(OABF)；Optimal Scheme指的是现有技术的最佳方案；Antenna Selection指的是天线选择。

如图8所示，通过对每个信道实现的瞬时速率进行平均来获得接收机处的平均可实现速率；可以看到，所有三个方案的速率随着天线数目增加而增加，而本例所述开关模块波束成形系统(OABF)和现有技术的最佳方案之间的间隙有常数上限。图8中，纵坐标的Achievable rate指的是可达率；横坐标的Number of Antennas指的是复数形式的数量，用于代表着天线数目增加；OABF指的是本例所述开关模块波束成形系统(OABF)；Optimal Scheme指的是现有技术的最佳方案；Antenna Selection指的是天线选择。

如图9所示，仿真出了中断概率，即精确接收SNR小于给定阈值的概率；图9中可以清楚地看到天线数目分别为N＝1,2,3时的1,2,3的分集阶数。当N＝1时，本例所述开关模块波束成形系统(OABF)和最优方案具有相同的性能；当N＝2时，有一个约2.5dB的间隙，当N＝3时，该间隙增加到4dB。图9中，纵坐标的Outage Pribability指的是中断概率；横坐标的SNR(dB)指的是信噪比；OABF，N＝1指的是所述开关模块波束成形系统(OABF)在发射射频天线个数N＝1时的中断概率仿真曲线；Optimal Scheme，N＝1指的是现有技术的最佳方案在发射射频天线个数N＝1时的中断概率仿真曲线；同理，OABF，N＝2指的是所述开关模块波束成形系统(OABF)在发射射频天线个数N＝2时的中断概率仿真曲线；Optimal Scheme，N＝2指的是现有技术的最佳方案在发射射频天线个数N＝2时的中断概率仿真曲线；OABF，N＝3指的是所述开关模块波束成形系统(OABF)在发射射频天线个数N＝3时的中断概率仿真曲线；Optimal Scheme，N＝3指的是现有技术的最佳方案在发射射频天线个数N＝3时的中断概率仿真曲线、

也就是说，本例提出了一种新的开关模拟波束成形系统，即开-关模拟波束成形(OABF)，其仅使用简单的模拟开关来实现波束成形增益。为了确定具有给定信道信息的每个交换机的状态，本例提出了一种最佳算法，即所述开关模拟波束成形系统根据信道信息控制射频开关组件的射频开关状态以最大化接收信噪比的步骤，以分别在每个发射射频天线由单独功率约束下最大化接收SNR。利用多项式复杂性，本例所述开关模块波束成形系统(OABF)可以实现全分集增益和全阵列增益。更具体地，无论射频天线的数量和SNR如何，最佳方案(等增益波束成形)和本例所述开关模块波束成形系统(OABF)之间的可实现速率间隙是3.3比特/符号的常数。

本例所述开关模拟波束形成系统与其他模拟波束形成方案不兼容，以构成新的混合体系结构。其他波束成形系统，如雷达，也可以采用本例所述开关模块波束成形系统(OABF)以降低系统成本。

综上，本例基于信道状态信息，多个发射射频天线中的每一个被接通或断开以实现波束成形，可以显著减少在传统模拟波束成形系统中采用的高成本、大功率消耗和体积庞大的模拟移相器，本发明仅使用简单的模拟开关来实现开关模拟波束形成增益，所有选择的射频天线直接连接到一个对应的射频链而无需其他射频链或移相器等任何预处理设备，本发明所述开关模拟波束成形系统的效果是通过选择一部分的射频天线来简单地实现，并且可以实现完全复用增益和全部的分集增益。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。