本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种适用于5g大规模天线阵列波束成型装置及方法。
背景技术：
2017年12月20日，在3gppran第78次全体会议上，5gnr(newradio)首发版本正式冻结并发布，5g标准化迎来重要里程碑。中国的相关厂商及机构不仅在3gpp等标准组织中发挥了重要作用，在技术测试、频谱划定等方面均走在世界前面。imt-2020推进组主导的5g技术研发试验已重点转向5g商用前的产品研发、验证和产业协同，开展商用前的互联互通工作。国内相关厂商从2016年6月开始进行了第二阶段测试，构建了规模全球最大的测试网并取得了良好的成绩。5g完整的标准预计将在2019年底完成，国际电联建议书最终将包含imt-2020的全部技术规范。
5g网络体系下将允许单个基站达到20gbps以上的下行速度和10gbps的上行速度。一个小区的所有用户共享全部带宽，每平方公里支持用户数将达到100万。其主要采用的技术有：毫米波(mmwave)、大规模天线阵列等。其中，毫米波频段由于其波长短、路径损耗大，导致传播距离受限。因此，必须采用大规模天线阵列以获得高的方向性增益增加覆盖。受制于功耗及成本的限制，基站天线单元数量在100-1000个之间、而射频链路数最多几十个，射频链路数量将远小于天线单元数量。因此，需要在射频链路到天线之间需要采用移相器以完成波束成型功能。
假定基站射频链路数为n、天线数为m，现有的波束成型方法有如下：全连接的波束成型方案，如图1所示，该方案中射频链路到天线之间采用移相器连接，则需要的移相器数量为n*m。例如：天线数为64个、射频链路数为8，则需要的移相器数量为512。随着天线数量及射频链路数增加，其需要的移相器数量将迅速增加，以至于复杂度及成本太高、难以实际大规模应用，实用性较差。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种5g大规模天线阵列波束成型装置及方法，以解决现有天线阵列成本高、复杂度高、实用性差的问题。
本发明采用以下技术方案：一种适用于5g大规模天线阵列波束成型装置，包括用于将基带数据流进行预编码并输出的预编码矩阵fb，所述预编码矩阵fb的输出端通过不同数据传输线路分别连接至n个射频链路，每个所述射频链路的输出端均通过数据传输线路连接至天线阵列单元，每个所述射频链路的输出线路与所述天线阵列单元之间均设置有移相器，所述天线阵列单元均分为n组；所述移相器组成模拟预编码矩阵fr，
其中，g为整数，g＝m/n，m为天线阵列单元的总数，
进一步地，第i个射频链路的输出线路为
进一步地，第j组天线阵列单元中的每个天线阵列单元所连接的移相器的数量为j。
本发明的另一种技术方案，一种适用于5g大规模天线阵列的波束成型方法，使用上述的一种适用于5g大规模天线阵列波束成型装置，根据n个用户与基站之间的距离计算链路损耗，得出每个用户的信噪比；
将n个用户的信噪比由低至高进行排序，得出排序后的用户1至用户n；
将射频链路1-n分别对应分配给用户1-n。
本发明的有益效果是：本发明将大规模天线阵列分组，与每组天线单元相连的移相器数量阶梯分布，然后将阶梯分布的移相器分别与射频链路连接起来，提供了一种全新的连接方法，与现有技术中全连接方法相比较，整个系统需要的移相器数量大幅度下降。当蜂窝小区中用户随机分布时候，采用该方法与全连接方法相比较，系统的总体频谱效率及能量效率下降可忽略，该方法特别适用于5g基站系统，将有效降低系统复杂度及成本。
【附图说明】
图1为现有技术中全连接的波束成型示意图；
图2为本发明实施例中波束成形示意图；
图3为基站与小区中用户通信示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明公开了一种适用于5g大规模天线阵列波束成型装置，如图2所示，包括用于将基带数据流进行预编码并输出的预编码矩阵fb，本实施例中l个基带数据流(1,2，…，l)均进入到预编码矩阵fb中进行处理，经过预编码后输出的基带数据流为n个，即1,2，...，n，且有l≤n，l、n均为大于0的整数，预编码矩阵fb的输出端通过不同数据传输线路将n个预编码后的基带数据流分别送至n个射频链路中。
每个射频链路的输出端均通过数据传输线路连接至天线阵列单元，天线阵列单元数为m(m≥n，m、n均为整数，且m是n的整数倍)，分成n组(1,2,...，n)，每组有m/n个单元，其中，第一组每个天线阵列单元分别连接1个移相器，第二组每个天线阵列单元分别连接2个移相器，即第二组每个天线阵列单元均接收来自2个移相器的合成信号，以此类推，第n组每个天线阵列单元分别连接n个移相器，即接收第n组的每个天线阵列单元均接收来自n个移相器的合成信号。
第i个射频链路的输出线路为
每个射频链路的输出线路与天线阵列单元之间均设置有移相器，第j(1≤j≤n)组天线阵列单元中的每个天线阵列单元所连接的移相器的数量为j，即第1组天线阵列单元中的每个天线阵列单元分别连接1个移相器，第2组天线阵列单元中的每个天线阵列单元分别连接2个移相器，以此类推，第n组天线阵列单元中的每个天线阵列单元分别连接n个移相器。
综上，移相器阵列组成模拟预编码矩阵fr，其不为零的数据元素阶梯分布，即，
其中，g为整数，g＝m/n，
本发明还公开了一种适用于5g大规模天线阵列的波束成型方法，使用上述的一种适用于5g大规模天线阵列波束成型装置，如图3所示，当小区中的用户随机分布时候，有的用户距离基站较近链路损耗较小，有的用户距离基站较远链路损耗大，每次选出n个用户对其提供服务，根据n个用户与基站之间的距离计算链路损耗，得出每个用户的信噪比。
基站将根据n个用户的信噪比由低至高进行排序，得出排序后的用户1至用户n。由于射频链路1连接m个天线单元，能够提供最窄的波束，且其方向性增益最大，将射频链路1分配给信噪比最差的用户1，射频链路2分配给用户2以此类推，由于射频链路n仅连接m/n个天线单元，所以将射频链路n分配给信噪比最好的用户n。即将射频链路1-n分别对应分配给用户1-n。
实施例1：假设共有天线单元数m＝64，数据流数量为n＝8，则采用如图1所示的全连接方法需要的移相器数量为64*8＝512，采用本方法需要的移相器数量为：8+8*2+…+8*8＝288。可见，需要移相器的数量大幅度减少。
实施例2：假设全部天线数m＝256，数据流数量为n＝16，则采用全连接方法需要移相器数量为4096，采用本方法需要的移相器数量为：16+16*2+…+16*16＝2176。
另外，其他天线与射频链路配置对比如下表：