MIMO系统的制作方法

mimo系统
技术领域
1.本发明涉及mimo系统。


背景技术：

2.人们对毫米波(mmwave)无线通信系统的兴趣日益增加，因为它们有望满足无线装置不断增长的带宽需求。mmwave系统通常在30ghz
‑
300ghz的频带中工作。这是比目前用于长期演进(lte)网络的6ghz以下频带大得多的频带，并且因此与在6ghz以下频带中工作的现有系统当前可支持的带宽相比，可以支持更大的带宽。
3.与mmwave通信相关的一个问题是可能经历相对高的自由空间路径损耗。这种高路径损耗会导致经历阻塞或长距离通信时的信号严重衰减。
4.克服该问题的方法是在多输入多输出(mimo)系统内实现mmwave通信。mmwave通信的相对较短的波长使得能够减小mimo系统的天线间隔，并因此使得与当在6ghz以下频带中工作时可实现的天线阵列相比，相对较大的天线阵列(包含例如256个到1024个天线元件)能够以相对较小的物理尺寸被打包。这些大型天线阵列能够有效地补偿由于mmwave的高频通信引起的高路径损耗。
5.尽管如此，在实践中实现mmwave mimo系统仍然存在挑战。传统上，mimo系统利用全数字预编码实现。在图1中示出了具有全数字预编码的示例mimo发送器。
6.发送器100包括数字预编码器102和联接到数字预编码器102的多个射频(rf)链(通常用104表示)。每个rf链联接到天线(通常用108表示)。在这里所示的示例中，每个rf链通过放大器联接到相应的天线。放大器通常用106表示。
7.数字预编码器102接收通常用110表示的多个数据流，并且用于控制每个接收到的数据流的幅度和相位以实现以期望的方向和增益从天线108发送的波束。一旦预编码，数据流就通过rf链104传递。各rf链可以支持单个数据流。rf链用于将数字预编码数据流转换为模拟信号以便由天线108发送。各rf链通常包括用于从所接收到的数字预编码的数据流生成模拟信号的收发器电路。该收发器电路可以包括例如数模(dac)转换器、混合器和频率转换器。由各rf链生成的输出信号然后由相应的放大器放大并且从相应的天线发送。
8.全数字预编码提供高水平的设计选择并且使得能够实现高数据速率以及不同数据流之间的低干扰。然而，它通常还需要用于每个天线的专用rf链。对于如上所述天线数量通常较大的mmwave mimo系统，此要求会导致不期望的高硬件成本和功耗。


技术实现要素：

9.根据本发明，提供了一种用于通过通信信道将无线通信信号发送至接收器的多输入多输出(mimo)发送器，该发送器包括：
10.配置为对多(n
s
)个数据流进行预编码的数字信号处理器；
11.多(n
rf
)个射频(rf)链，所述多个射频(rf)链各自被配置为传递来自数字信号处理器的预编码的数据流以生成表示该数据流的信号；
12.透镜天线阵列，该透镜天线阵列包括n
t
个天线元件的阵列；以及
13.联接在多(n
rf
)个rf链与透镜天线阵列之间的选择单元，该选择单元包括多个单独的联接单元，各联接单元被配置为同时将相应的rf链联接到个天线元件的选择性子阵列以发送表示通过该rf链传递的数据流的信号。
14.选择单元可以包括n
rf
个联接单元，所述联接单元各自联接到相应的rf链。
15.各联接单元可以包括用于同时将相应的rf链联接到个天线元件的选择性子阵列的切换元件集合。
16.对应于rf链的切换元件集合中的各切换元件可以将该rf链联接到相应的天线元件。
17.各切换元件集合可以由个切换元件形成，其中b是以赫兹为单位的信道带宽，并且f
c
＝c/2d，其中c是以米每秒为单位的光速，并且d是以米为单位的连续天线元件之间的间距。
18.各联接单元还可以包括移相器模块集合，其被配置为调整要经由该rf链通信的各所选的无线通信信号的幅度和/或相位。
19.各联接单元的移相器模块集合可以联接在相应的rf链与用于该联接单元的切换元件集合之间。
20.各联接单元中的移相器模块的数量可以等于该联接单元中的切换元件的数量。
21.各联接单元可以包含个移相器模块，其中b是以赫兹为单位的信道带宽，并且f
c
＝c/2d，其中c是以米每秒为单位的光速，并且d是以米为单位的天线间距。
22.每个移相器模块可以包括两个移相器。
23.数据流的数量可以小于或等于rf链的数量。
24.rf链的数量可以小于天线透镜阵列中的天线元件的数量。
25.发送器还可以包括控制器，该控制器被配置为控制各联接单元中的切换元件集合以选择要联接到相应rf链的个天线元件的子阵列。
26.控制器可以被配置为从的个最大对角线元素中选择要联接到各rf链的个天线元件的子阵列，其中k是mimo发送器的子载波的数量，是发送器与接收器之间的波束空间信道，并且
27.其中u
t
和u
r
是由发送器处的透镜天线阵列和接收器处的透镜天线阵列表示的空间离散傅里叶变换矩阵。
28.联接单元序列中的每个联接单元的移相器模块集合可以应用根据移相器模块集合所应用的相移值确定的相移值以用于所述序列中的前一联接单元。
29.序列中的前一联接单元的所述移相器模块集合可以优化由联接到该联接单元的天线元件的子阵列可实现的数据速率。
30.联接单元子集中的联接单元n的移相器模块集合可以应用由根据等式确定的矢量所表示的相移值，其中ρ是接收器的平均接收功率，σ2是在接收器处接收到的信号中噪声的方差，是在接收器处接收到的信号中噪声的方差，是在接收器处接收到的信号中噪声的方差，是单位矩阵，f
rfn
‑1是相位值矩阵f
rf
的通过去除第n列f
rfn
而形成的子矩阵，并且q是由矩阵r＝q
h
q的分解形成的矩阵，其中并且是针对各联接单元选择完天线元件的子阵列之后的降维波束空间信道并且k是传输信号的子载波的数量。
31.根据本公开的第二方面，提供了一种用于通过通信信道接收无线通信信号的多输入多输出(mimo)接收器，发送器包括：
32.透镜天线阵列，该透镜天线阵列包括分别布置成接收无线通信信号的n
t
个天线元件的集合；
33.联接到透镜天线阵列的选择单元，该选择单元包括多个单独的联接单元，所述联接单元分别被配置为同时联接到个天线元件的选择性子阵列以选择个接收到的无线通信信号；
34.多(n
rf
)个射频(rf)链，所述多个射频链各自联接到相应的联接单元，各rf链被配置为传递从其相应的联接单元接收到的信号以生成数字信号；以及
35.数字信号处理器，该数字信号处理器被配置为接收从各rf链生成的数字信号并且执行这些信号的组合以生成多(n
s
)个数据流。
36.选择单元可以包括n
rf
个联接单元，各联接单元联接到相应的rf链。
37.各联接单元可以包括用于同时将相应的rf链联接到个天线元件的选择性子集的切换元件集合。
38.对应于rf链的切换元件集合中的各切换元件可以将该rf链联接到相应的天线元件。
39.各切换元件集合可以由个切换元件形成，其中b是以赫兹为单位的信道带宽，并且f
c
＝c/2d，其中c是以米每秒为单位的光速，并且d是以米为单位的连续天线元件之间的间距。
40.各联接单元还可以包括移相器模块集合，其被配置为调整各所选的无线通信信号的幅度和/或相位。
41.各联接单元的移相器模块集合可以联接在相应的rf链与用于该联接单元的切换元件集合之间。
42.各联接单元中的移相器模块的数量可以等于该联接单元中的切换元件的数量。
43.各联接单元可以包含个移相器模块，其中b是以赫兹为单位的信道带宽，并且f
c
＝c/2d，其中c是以米每秒为单位的光速，并且d是以米为单位的天线间距。
44.每个移相器模块可以包括两个移相器。
45.数据流的数量可以小于或等于rf链的数量。
46.rf链的数量可以小于天线透镜阵列中的天线元件的数量。
47.接收器还可以包括控制器，该控制器被配置为控制各联接单元中的切换元件集合以选择要联接到相应rf链的个天线元件的子阵列。
48.根据本公开的第三方面，提供了一种mimo系统，该mimo系统包括如根据本文中的任何示例所描述的mimo发送器和根据本文中的任何示例所描述的mimo接收器。
49.根据本公开的第四方面，提供了一种选择要联接到根据本文的任何示例的发送器的各rf链的天线的子阵列的方法，该方法包括：
50.选择的个最大对角线元素以形成表示由发送器的透镜天线阵列发送的个最强波束的矢量s
t
，其中k是mimo发送器的子载波数，是发送器与接收器之间的波束空间信道并且其中是各子阵列中的天线元件的数量并且是发送器中的rf链的数量。
51.根据本公开的第五方面，提供了一种选择要联接到根据本文的任何示例的发送器和根据本文的任何示例的接收器的各rf链的天线的子阵列的方法，该方法包括：
52.选择的个最大对角线元素以形成表示由发送器的透镜天线阵列发送的个最强波束的矢量s
t
，其中k是mimo发送器的子载波数，是发送器与接收器之间的波束空间信道并且其中是各子阵列中的天线元件的数量并且是发送器中的rf链的数量，以及
53.选择的个最大对角线元素以形成指示由接收器的透镜天线阵列接收到的个最强大的波束的矢量s
r
。
54.根据本公开的第六方面，提供了一种配置用于根据本文的示例的mimo发送器的多个联接单元的移相器模块集合的方法，该方法包括：
55.确定联接单元序列的移相器模块集合所应用的相移值，其中所述序列中的联接单元的移相器模块集合所应用的相移值根据由该序列中前一个联接单元的移相器模块集合所应用的相移值来确定。
56.序列中的前一联接单元的移相器模块集合可以优化由联接到该联接单元的天线元件的子阵列可实现的数据速率。
57.联接单元序列中的联接单元n的移相器模块集合可以应用根据等式确定的相移值其中ρ是接收器的平均接收功率，σ2是接收器所接收到的信号中的噪声的方差，是接收器所接收到的信号中的噪声的方差，是接收器所接收到的信号中的噪声的方差，是单位矩阵，f
rfn
‑1是相位值矩阵f
rf
的通过去除第
n列f
rfn
形成的子矩阵，并且q是由矩阵r＝q
h
q的分解形成的矩阵，其中并且是针对各联接单元选择完天线元件的子阵列之后的降维波束空间信道，并且k是传输信号的子载波的数量。
附图说明
58.现在将参照附图以示例的方式来描述本发明。在附图中：
59.图1示出了完全数字预编码的mimo发送器的示例。
60.图2示出了具有透镜天线阵列的mimo系统的示例。
61.图3示出了波束空间信道的示意图。
62.图4示出了根据本公开的具有透镜天线阵列的mimo发送器。
63.图5示出了根据本公开的具有透镜天线阵列的mimo接收器。
64.图6示出了用于降低波束空间信道的维度的天线或波束选择过程的图示。
65.图7示出了执行波束空间预编码的方法。
66.图8示出了将由本文所描述的mimo架构实现的数据速率与传统mimo架构实现的数据速率进行比较的仿真结果。
具体实施方式
67.为了解决在mmwave mimo系统内执行全数字预编码的问题，可以在数字预编码与模拟预编码之间分割预编码。在数字域和模拟域上分割预编码使得能够减小数字预编码器的尺寸。通过减少rf链的数量实现该尺寸的减小。对从rf链生成的模拟信号执行模拟预编码，并且目的是通过执行模拟波束形成来增加天线阵列的增益。以这种方式，可以减少系统内的rf链的数量，而不会遭受相应的性能损失。
68.实现模拟预编码的一种方式是通过透镜天线阵列。透镜天线阵列包括透镜和包括阵列中的多个天线元件的天线阵列。天线元件可以位于透镜的焦面上。透镜是具有定向聚焦能力的电磁透镜(即，它用于聚焦入射的电磁波或信号)。因此，可以说透镜起到无源移相器的作用，该无源移相器根据其在透镜焦面上的入射点来修改输入信号相位。
69.图2示出了实现透镜天线阵列的示例mimo系统。
70.mimo系统一般以200示出。该系统包括mimo发送器202和mimo接收器204。发送器202通过通信信道206将无线通信信号发送至接收器204。信道206是多径信道。由信道规定的通信路径的数量表示为l。在该示例中，为了说明，l＝3。l表示重要的或可解析路径的数量。可解析的或重要的路径可以是信号功率超过某个阈值的路径。散射对象208和210用于散射从部分地规定可解析的路径的发送器202接收到的信号。
71.mimo系统200是正交频分复用(ofdm)系统(mimo
‑
ofdm系统)。因此，发送器202被配置为在k个窄带子信道上发送无线通信信号。在第k个子信道上发送的通信信号可以被称为第k个子载波。接收器204被类似地配置为在k个窄带子信道上接收无线通信信号(即，接收器被配置为接收k个子载波)。中央子信道的频率被称为载波频率并表示为f
c
。k的值可以根据实现而变化，但可以是例如128。
72.mimo发送器202包括数字预编码器212、一般用214表示的rf链集合、选择单元216
以及透镜天线阵列218。透镜天线阵列包括电磁透镜222以及由多个天线元件形成的天线阵列224。天线阵列224的天线元件位于透镜222的焦面上。天线阵列224中的天线元件的数量表示为n
t
。
73.数字预编码器212接收多(n
s
)个数据流220并且对这些流执行数字预编码。然后，预编码流通过rf链214传递，其中每个rf链支持一个数据流。选择单元216用于将各rf链连接到透镜天线阵列222的一个天线元件。即，各rf链连接到选择单元216的切换元件。换句话说，选择单元216选择各rf链的天线元件以发送由该rf链生成的信号。换句话说，各rf链214通过选择单元216联接到天线阵列218的单个天线元件。
74.mimo接收器204包含与发送器类似的组件。更具体地，该mimo接收器包括透镜天线阵列226，该透镜天线阵列226包括电磁透镜228以及由多个天线元件形成的天线阵列230。该阵列230中的天线元件的数量表示为n
r
。天线阵列230被联接到包括多个切换元件的选择单元232。选择单元232的各切换元件联接到相应的rf链。用于接收器204的rf链集合通常由234表示。rf链集合联接到数字组合器236。
75.在工作中，预编码器212接收多(n
s
)个数据流。预编码器对那些数据流执行数字预编码。预编码可以包括调整每个数据流的权重和/或相位。可以执行预编码以减少不同数据流之间的干扰。预编码的数据流通过rf链集合214传递以生成模拟信号。通过每个rf链传递单个数据流；即，每个rf链支持单个数据流。由rf链生成的模拟信号指示或代表通过该rf链传递的数据流。控制选择单元216以选择用于传递由rf链生成的信号的天线元件的子集。选择单元216针对每个rf链选择天线阵列218的天线元件以发送由该rf链生成的信号。换句话说，选择单元216将各rf链选择性地联接到天线阵列218的单个天线元件。选择天线元件，使得从透镜222发射的信号形成离散数量的波束。波束指的是聚焦在特定方向或行进角度的一个或多个信号的集合。选择天线元件，使得波束沿各通信路径行进。因此，在该示出的示例中，选择网络216控制切换元件以选择天线阵列218的天线元件，使得发射的信号形成三个波束：在第一路径上行进的第一波束、在第二路径上行进的第二波束以及在第三路径上行进的第三波束。
76.各波束具有相对于透镜222的偏离角(aod)。可以相对于关于透镜规定的参考方向来测量所述偏离角。第一路径上的波束的偏离角表示为第二路径上的波束的偏离角表示为并且第三路径上的波束的偏离角表示为
77.所发射的波束在信道上传递并且在接收器204处被接收。各波束以到达角(aoa)入射在接收器202的透镜228上。可以相对于关于透镜228规定的参考方向来测量各波束的到达角。
78.透镜228将所接收到的波束聚焦到天线阵列230的天线元件的子集上。天线元件的子集中的每一个(或该子集中的所选择的一个)通过选择单元232联接到相应的rf链。也就是说，选择单元232用于将天线阵列230的所选天线元件联接到相应的rf链。接收器202的rf链对发送器的rf链执行逆操作。换句话说，rf链214对所接收到的预编码的数据流执行处理操作以生成模拟信号，而rf链234用于从所接收到的模拟信号生成表示预编码的数据流的数字信号。然后，由各rf链生成的数字信号被传递到组合器236。组合器236用于过度或移除由发送器的预编码器212应用到数据流的预编码以生成解码的数据流238。
79.与完全数字预编码的mimo系统相比，使用透镜天线阵列218和226使得能够减少发送器202和接收器204中的rf链的数量而没有相应的性能损失。现在将更详细地解释这一点。
80.用于子信道k的发送器202和接收器204之间的空间信道h[k]可以被建模为：
[0081][0082]
在等式(1)中，l是可解析路径的数量(在该示例中为3)，β
l
和τ
l
是第l条路径的复增益和时间延迟，和分别是子信道k处的空间aoa和aod，d是天线元件间距，c是以米/秒为单位的光速，和是路径l的物理aoa和aod，并且f
k
是子信道k的频率。
[0083]
值f
k
由下式给出：
[0084][0085]
其中f
s
是各子信道的带宽并且k是子信道的总数量。
[0086]
载波频率f
c
的值可以由下式给出：
[0087][0088]
值a
t
和a
r
分别是发送器和接收器处的阵列响应矢量。矢量a
t
的大小为n
t x 1(即它是n
t
元件矢量)并且矢量a
r
的大小为n
r x 1(即，它是n
r
元件矢量)。
[0089]
透镜天线阵列218、226使得空间信道h[k]能够变换为波束空间信道。透镜天线阵列218和226中的每一个可以在数学上建模为离散傅里叶变换(dft)矩阵，分别表示为u
t
和u
r
。矩阵u
t
的大小为n
t x n
t
，其中n
t
列对应于覆盖透镜天线阵列218的角空间的n
t
预定方向(即n
t
波束)的正交波束形成矢量。矩阵u
r
的大小为n
r
xn
r
，其中n
r
列对应于覆盖透镜天线阵列226的角度空间的n
r
预定方向(即n
r
波束)的正交波束形成矢量。
[0090]
矩阵u
t
可以表示为：
[0091][0092]
并且矩阵u
r
可以表示为：
[0093][0094]
其中：
[0095][0096][0097]
然后，将表示为的波束空间信道表示为：
[0098][0099]
观察到，当φ1≈φ2时，当φ1≠φ2时，因此，当n
t
和n
r
的值相对较大(例如，64)时，子信道k的波束空间信道是稀疏矩阵。这种稀疏性反映了mmwave信号通常经历的有限散射。信道矩阵的稀疏性意味着信道上的信号功率聚焦在aoas和aods等于或接近于andl＝1，2，...l的波束上。这些波束可以称为功率聚焦或主要波束。因此，选择单元(例如，单元216和232)可用于仅选择发送/接收这些主要波束的阵列的天线元件。这可以称为波束选择或天线选择。通过仅选择发送/接收主要波束的天线元件的子集，可以减少发送器和接收器中的rf链的数量。这被称为减小mimo尺寸。
[0100]
图3是图2中所示的l＝3路径环境的波束空间信道的稀疏性的示意图。实心块表示针对各条路径l发送/接收最主要波束的天线元件对(i、j)，即发送器的天线元件i和接收器的天线元件j。各实心块周围的阴影块表示针对各条路径l发送/接收不可忽略的波束的天线元件对。因此，根据图3所示的示例的波束空间信道将仅需要n
t
个发送器天线元件中的9个和n
r
个接收器天线元件中的9个来发送全信道功率的大部分。因此，从该示例可以理解，波束空间信道的稀疏性如何能够在不显著影响mimo系统的性能的情况下减小mimo尺寸。
[0101]
尽管与完全数字预编码的mimo系统相比，mimo系统200可以提供降低的功耗和硬件成本的优点，但是当实现为宽带系统时，它可能具有缺点。
[0102]
对于窄带系统，f
c
≈f
k
。因此，空间aoa和空间aod近似恒定且与频率无关。这又意味着由选择单元216、232选择的功率聚焦波束是与频率无关的。
[0103]
但是，对于宽带系统，f
c
≠f
k
并因此空间aoa和空间aod是频率相关的。这意味着功率聚焦波束对于不同的子信道k是不同的。因此，为了避免损害信道带宽的部分性能，与窄带情况相比，需要通过选择单元216、232来选择更多波束(以及因此天线元件)。但是，选择更多波束/天线元件所需要的更多rf链导致上述硬件成本和功耗更高的问题。
[0104]
本公开的各方面涉及在与图2中所示的架构相比不增加rf链的数量的情况下可以在宽带信道内实现并且在整个信道带宽上保持足够的性能水平的mimo系统。
[0105]
图4示出了根据本公开的实施方式的示例mimo发送器402。
[0106]
发送器402包括数字信号处理器(dsp)404、多个rf链(通常用406表示)、选择单元408和透镜天线阵列410。发送器402是ofdm
‑
mimo发送器。因此，它可以通过如上面参照图2所述的k个子信道来发送无线通信信号。
[0107]
dsp 404被配置为接收多个数据流420。dsp 404所接收到的数据流的数量表示为n
s
。dsp 404对数据流执行数字预编码。dsp 404可以例如处理数据流以减少或消除不同数据流之间的干扰。dsp 404还可以调整输入数据流的幅度和/或相位。因此，dsp的示例是数字预编码器。
[0108]
rf链集合406联接到dsp 404。尽管图4中仅示出了两个rf链，但是应当理解，这仅仅是为了清楚起见，并且任何合适数量的rf链都可以包括在发送器内。rf链的数量表示为
各rf链被配置为传递来自dsp 404的预编码的数据流以生成表示或指示该数据流的信号。所生成的信号可以是模拟信号。各rf链可以支持或传递单个数据流。各rf链可以包括收发器电路并且如上面参照rf链214所描述的那样工作。
[0109]
透镜天线阵列410以与上面参照图2描述的透镜天线阵列218类似的方式工作。透镜天线阵列410包括电磁透镜412以及由天线元件集合形成的天线阵列414。阵列414中的天线元件的数量再次表示为n
t
。天线元件可以位于透镜的焦面上。透镜天线阵列用于将由天线元件发送的信号聚焦成通过通信信道发送的离散数量的波束。选择单元408联接在个rf链与透镜天线阵列410之间。选择单元408接收rf链406的输出作为其输入，并将信号输出到天线阵列414的天线元件。针对各rf链，选择单元408包括用于同时将该rf链联接到天线元件的子阵列的切换元件的集合。各子阵列包含多个(即一个以上)天线元件。换句话说，选择单元的各切换元件集合与相应的rf链相关联；即，各rf链与其自己唯一的切换元件集合相关联。换句话说，各切换元件集合对应于相应的rf链。在选择单元408中没有切换元件属于集合中的一个以上集合的意义上，各切换元件集合可以是唯一的，即，集合中的每个切换元件仅属于该集合。
[0110]
以416示出示例性切换元件集合。用于rf链的切换元件集合中的各切换元件将该rf链联接到相应的天线元件。因此，可以同时联接到给定rf链的天线元件的数量限于与该rf链相关联的切换元件集合中的切换元件的数量。可以同时联接到各rf链的天线元件的数量表示为因此，在切换元件集合中存在个切换元件。在图4所示的示例中，通常地，小于n
t
，即各rf链被限制为同时连接到天线元件的子阵列，其小于天线阵列中的元件的总数。因此，可以由选择单元408同时选择的天线元件的总数(表示为)由给出。
[0111]
由于针对每个rf链存在相应的切换元件集合416，所以选择单元408中的切换元件集合的数量可以等于rf链的数量，即
[0112]
针对每个rf链，选择单元408还包括相应的移相器模块集合。移相器模块集合示出为418。因此，各移相器模块集合与相应的rf链相关联或对应于相应的rf链。各移相器模块集合是唯一的，即没有移相器模块属于一个以上的移相器模块集合，或者等效地，集合中的各移相器模块仅属于该集合。因此，可以说各rf链联接到相应的移相器模块集合和相应的切换元件集合。
[0113]
各移相器模块联接在rf链和相应的切换元件之间。与rf链相关联的集合中的各移相器模块将该rf链联接到也与该rf链相关联的切换元件集合中的相应切换元件。因此，针对各rf链，各移相器模块集合中的移相器模块的数量等于与该rf链相关联的切换元件集合中的切换元件的数量。因此，包括在各移相器模块集合内的移相器模块的数量可以由给出。
[0114]
在这里所示的示例中，每个移相器模块包括两个移相器。两个移相器并联布置并且用于调整从相应rf链生成的信号的幅度和/或相位。因此，各移相器模块可以称为双相移
位器模块。注意，与rf链相关联的集合中的各移相器模块可以独立于该集合中的其它移相器模块处理来自该rf链的信号。
[0115]
换句话说，可以说选择单元408包括多个联接单元。各联接单元用于同时将相应的rf链联接到天线元件的子阵列。因此，各联接单元连接到相应的rf链。因此，可以说各联接单元对应于相应的rf链。各天线元件子阵列仅包含天线阵列414的天线元件的子集(即，每个子阵列中的天线元件的数量小于天线元件n
t
的总数)。因此，各联接单元用于同时选择要联接到其相应rf链的天线元件的子阵列以发送通过该rf链传递的信号。因为透镜412用于将从天线元件发射的信号聚焦成离散数量的波束，所以可以等效地说，各联接单元选择从透镜天线阵列414发射的波束集合。联接单元所选择的每个波束传送通过联接到该联接单元的rf链传递的信号。可以由各联接单元同时选择的天线元件(以及等效地，波束)的数量是
[0116]
示例联接单元示出为424。如上所述，各联接单元包括移相器模块集合418和切换元件集合416。针对各联接单元的切换元件集合用于选择针对相应的rf链要发送的波束集合。换句话说，切换元件集合用于选择要联接到该rf链的天线元件的子阵列。该移相器模块集合用于控制通过该rf链传递的信号的幅度和/或相位。以这种方式，各联接单元可以用于通过联接到该联接单元的相应rf链同时选择要从透镜天线阵列410发送的波束集合并且控制那些所选波束的幅度和/或相位。
[0117]
图5示出了根据本公开的实施方式的对应mimo接收器。
[0118]
接收器502包括数字信号处理器(dsp)504、多个rf链(通常用506表示)、选择网络508和透镜天线阵列510。接收器402是ofdm
‑
mimo发送器。因此，它可以通过如上面参照图2所述的k个子信道接收无线通信信号。
[0119]
dsp 504和rf链506以与上面参照图2描述的预编码器236和rf链234类似的方式工作，并因此这里将不再重复对这些组件的描述。集合506中的rf链的数量表示为接收器502中的rf链的数量不一定等于发送器402中的rf链的数量，但是在一些实现中，取决于波束空间信道的性质，接收器502中的rf链的数量可以等于发送器402中的rf链的数量。
[0120]
透镜天线阵列510以与上面参照图2描述的透镜天线阵列226类似的方式工作。透镜天线阵列510包括电磁透镜512和由天线元件集合形成的天线阵列514。阵列514中的天线元件的数量再次表示为n
r
。天线元件可以位于透镜512的焦面上。
[0121]
选择单元508联接在透镜天线阵列510与个rf链之间。选择单元508具有与上述选择单元408类似的架构。
[0122]
选择单元508接收来自阵列414的天线元件的信号并且将信号输出到rf链506。对于每个rf链，选择单元508包括用于同时将该rf链联接到天线元件的子阵列的切换元件集合。换句话说，选择单元508的各切换元件集合与相应的rf链相关联；即，各rf链与其自己唯一的切换元件集合相关联。换句话说，各切换元件集合对应于相应的rf链。在选择单元408中没有切换元件属于集合中的一个以上集合的意义上，各切换元件集合可以是唯一的，即，集合中的各切换元件仅属于该集合。
[0123]
一个示例性切换元件集合示出为516。用于rf链的切换元件集合中的各切换元件将该rf链联接到相应的天线元件。因此，可以同时联接到给定rf链的天线元件的数量限于
与该rf链相关联的切换元件集合中的切换元件的数量。可以同时联接到各rf链的天线元件的数量表示为因此，在切换元件集合中存在个切换元件。在图4所示的示例中，通常地，小于n
r
，即各子阵列中的天线元件的数量小于天线阵列中的元件的总数。因此，选择单元508可以同时选择的天线元件的总数，表示为由给出。
[0124]
选择单元508中的切换元件集合的数量可以等于
[0125]
针对各rf链，选择单元508还包括相应的移相器模块集合。移相器模块集合示出为518。移相器模块集合及其与相应的切换元件集合的关系类似于上面参照图4描述的移相器模块集合。因此，包括在各移相器模块集合518内的移位器模块的数量可以由给出。
[0126]
在工作中，各切换元件集合(例如，集合516)同时选择在所选的天线元件处接收的波束。然后，每个所选择的波束通过相关联的移相器模块集合(例如，集合518)的相应移相器模块传递，以生成相位和/或幅度调整的信号。然后，组合相位和/或幅度调整的信号，所得到的组合信号通过相关联的rf链传递。
[0127]
还可以说，选择单元508包括多个联接单元。各子联接单元用于同时将相应的rf链联接到天线元件的子阵列。因此，各联接单元连接到相应的rf链。各天线元件子阵列仅包含天线阵列514的天线元件的子集(即，每个子阵列中的天线元件的数量小于天线元件n
r
的总数)。因此，各联接单元用于同时选择要联接到其相应rf链的天线元件的子阵列，以接收在那些天线元件处接收到的波束。换句话说，各联接单元用于选择由其联接到该联接单元的相应rf链接收的波束集合。
[0128]
可以由各联接单元同时选择的接收到的波束的数量是示例联接单元示出为524。各联接单元包括移相器模块集合(例如518)和切换元件集合(例如516)。各联接单元的切换元件集合用于选择针对相应的rf链要接收的波束集合。也就是说，该切换元件集合用于选择要联接到该rf链的天线元件的子阵列，以接收在该子阵列的天线元件处接收到的波束。该移相器模块集合用于控制每个所选的波束的幅度和/或相位。以这种方式，各联接单元可以用于通过联接到该联接单元的相应rf链同时选择要从透镜天线阵列410接收的波束集合，并且在那些波束被组合并传递到rf链之前控制那些所选的波束的幅度和/或相位。
[0129]
与具有图2中所示的透镜天线阵列的mimo发送器/接收器相比，发送器402和接收器502的架构可以提供若干优点。首先，通过具有与各rf链相关联的切换元件集合，单个rf链可以同时连接到天线阵列414/514的多个天线元件。这对于其中各rf链在任何给定时间只能连接到单个天线元件的图2所示的系统来说是不可能的。这又使得联接单元408/508能够通过单个rf链同时选择多个波束。因此，联接单元408/508可以通过单个rf链选择多个功率聚焦波束，使得能够在信道的整个带宽上更好地捕获信道信号功率，而不增加发送器/接收器中的rf链的数量。其次，该移相器模块集合可以调整每个所选波束的幅度和/或增益，与图2所示的系统相比，这可以导致阵列增益的进一步改善。换句话说，发送器402和接收器502各自提供比图2中所示的发送器202和接收器204更高等级的模拟预编码。
[0130]
现在将描述使用选择单元选择用于发送和接收的最佳波束以在信道上捕获高水平信号功率的方法。
[0131]
由发送器402发送的发送信号矢量s[k]与在接收器502处接收的用于子信道k的接收信号矢量y[k]之间的点对点关系可以在数学上建模为：
[0132][0133]
其中：
[0134]
‑
是由上面的等式(8)规定的波束空间信道；
[0135]
‑
s
t
和s
r
分别是由选择单元408和508的切换元件实现的发送和接收天线/波束选择器；
[0136]
‑
f
rf
和w
rf
分别是由选择单元408和508的移相器模块实现的发送器和接收器模拟波束形成器(模拟预编码器和组合器)；
[0137]
‑
f
bb
是由dsp 404实现的发送器数字预编码器，并且w
bb
是由dsp 504实现的接收器数字组合器；并且
[0138]
‑
n[k]是噪声矢量。
[0139]
注意，s
t
、s
r
和f
rf
、w
rf
是与频率无关的(即独立于k)，因为它们是由模拟电路实现的。但是，f
bb
和w
bb
是频率相关的，因为它们分别由基带中的数字预编码器/组合器实现。还应注意，f
bb
和f
rf
满足功率约束||f
bb
f
rf
[k]||2＝n
s
，其中将回想起ns是数据流的数量。
[0140]
已经发现，解耦s
t
和s
r
的设计(即，独立于要接收的波束的确定，确定要发送的波束的选择)使得能够选择波束，以在通过rf链的数量给定约束的情况下最大化宽带信道的功率保持。然后，可以将波束选择过程分成两个不同的步骤。
[0141]
在第一步骤中，确定s
t
的设计(即，确定要由选择单元408选择的阵列414的个天线元件)。确定s
t
的设计，使得可以确定由各联接单元中的切换元件集合418选择的天线元件的子阵列。在该步骤中，假设s
r
＝i。s
t
的最佳值，表示为由下式给出：
[0142][0143]
的第n个对角线元素表示第n个发送的波束的功率。因此，如果选择单元408要选择要发送的个波束的总和，则应设计s
t
以选择的个最大对角线元素。这标识了由发送器的联接单元选择的阵列414的个天线元件。因此，s
t
的值表示为针对(即联接到)各rf链所选择的天线阵列414的天线元件的子阵列。等效地，各rf链的s
t
值指示针对各rf链将从透镜天线阵列410发送哪些波束。
[0144]
在第二步中，根据所确定的s
t
设计确定s
r
的设计。确定s
r
的设计，使得可以确定由各切换元件集合518选择的天线元件的子阵列。换句话说，确定s
r
的设计以识别要由选择单元508选择的阵列514的个天线元件。s
r
的最佳值，表示为由下式给出：
[0145]
[0146]
的第n个对角线元素代表第n个接收的波束的功率。因此，如果选择单元508要选择接收个波束，则应设计s
r
以选择的个最大对角线元素。这标识了由接收器的联接单元选择的阵列514的个天线元件。因此，s
r
的值指示为针对(即联接到)各rf链所要选择的天线阵列514的天线元件的子阵列。等效地，s
r
的值指示针对每个rf链从透镜天线阵列510接收哪些波束。
[0147]
应当理解，增加和的值使得能够通过选择更多要发送和接收的波束来捕获信道上的更多信号功率，并且通常地设置和可以捕获所有信号功率。但是，增加和的值也增加了移相器模块的数量，导致硬件成本和功耗增加。已经发现，通过如下设置和的值，可以一方面实现硬件成本和功耗之间的良好折衷以及另一方面实现良好的性能：
[0148][0149][0150]
在(12)和(13)中，b是信道的带宽。
[0151]
图6示出了两步波束选择过程的示意图。在602处重复图3中所示的波束空间信道的图示。在604处示出了发送器波束选择之后的维度降低的信道。可以看出，信道在接收器方向上未被改变。在606处示出了在接收器波束选择的第二步骤之后的维度进一步降低的信道。
[0152]
用于发送器的波束选择过程可以由控制器422执行，并且用于接收器的波束选择过程可以由控制器522执行。控制器422、522分别联接到选择单元408和508的切换元件并且用于根据从波束选择过程确定的要选择的波束来控制那些切换元件。
[0153]
现在将描述优化波束空间预编码的方法。将回想起在发送器402中，在数字预编码(由dsp 404执行)和模拟预编码(由选择单元408执行)之间分割预编码。确定数字和模拟预编码的参数的方法将在下面阐述。将确定参数以最佳地减少不同数据流之间的干扰。
[0154]
子信道k的总可实现比特率可以建模为：
[0155][0156]
其中：
[0157]
‑
是波束选择过程后的降维波束空间信道；
[0158]
‑
ρ是接收器的平均接收功率；
[0159]
‑
σ2是假设具有高斯分布的信号噪声的方差。
[0160]
从(14)可以看出，最佳数字预编码器可以建模为：
[0161][0162]
其中，v
eff
[k]是有效信道矩阵的右奇异矩阵并且是根据注水解决方案为数据流分配的功率的对角矩阵。对于高信噪比的区域，它给出：
[0163][0164]
规定优化目标由下式给出：
[0165][0166]
r是hermitian正定矩阵，并且因此可以分解为：r＝q
h
q，意思是(17)可以重写为：
[0167][0168]
其中：
[0169]
‑
[0170]
‑
是f
rf
的ns列；
[0171]
‑
是f
rf
的通过去除形成的子矩阵。
[0172]
(17)可以进一步分解为：
[0173][0174]
其中：
[0175]
‑
[0176]
‑
f
rfn
‑1是f
rf
的通过去除第n列f
rfn
形成的子矩阵；并且
[0177]
‑
[0178]
等式(21)表明模拟预编码器的优化可以分解为个子问题，其中每个子问题优
化相应联接单元的参数，或者等效地，优化相应的移相器模块集合的参数。优化联接单元的参数是指确定移相器模块的参数，其优化由联接单元选择的天线子阵列的子速率(即可实现的数据速率)。
[0179]
联接单元n的优化参数由以下等式确定：
[0180][0181]
其中
[0182]
联接单元的参数可以是由该联接单元的各移相器模块所应用的相移。在上面的示例中，每个移相器模块包括两个移相器，并因此用于联接单元的参数可以指定该联接单元中的各移相器模块的每个移相器对所应用的相移。
[0183]
在该示例中，f
rfn
是相位值的矢量，其指示要由联接单元n的移相器模块应用的相移。f
rfn
的元素是ae
jφ
形式的复数，其中a＜1，从中可以看出由移相器模块的两个移相器应用的相移φ1和φ2由下式给出：
[0184][0185][0186]
在图7中示意性地示出了根据等式(22)求解每个子问题的过程。
[0187]
最初，优化第一联接单元的子速率(通过求解(22))以确定f
rf1
的值，其指示用于控制第一联接单元的移相器模块的参数。然后，使用这些参数来确定第二联接单元的矩阵t2。矩阵t2用于优化第二联接单元的子速率(通过求解(22))以确定f
rf2
的值，其指示用于控制第二联接单元的移相器模块的参数。然后，重复该过程直到已经针对所有联接单元的移相器模块确定了参数。因此，用于控制联接单元的移相器模块的参数针对联接单元被顺序地确定，即，序列的一个联接单元的参数由序列中的前一个联接单元的参数确定。
[0188]
因此，通常，联接单元n的移相器模块的参数通过以下步骤来确定：
[0189]
1)接收表示第(n
‑
1)个联接单元的移相器模块参数的值f
rfn
‑1；
[0190]
2)使用第(n
‑
1)个联接单元的移相器模块参数更新矩阵t
n
；
[0191]
3)使用矩阵t
n
优化第n个联接单元的子速率；以及
[0192]
4)确定联接单元n的移相器模块的参数作为优化子速率的参数。
[0193]
重复步骤1)至步骤4)直到确定了所有联接单元的移相器模块的参数。
[0194]
与具有透镜天线阵列的传统mimo系统相比，本文所描述的具有透镜天线阵列的mimo系统能够在宽带信道上实现改进的数据速率，而不增加rf链的数量。图8示出了发明人利用具有这里所描述的架构的mimo发送器和接收器获得的仿真结果。在该仿真中，发送器采用n
t
＝64元件透镜天线阵列，个rf链传送n
s
＝8个数据流，而接收器采用n
r
＝64元件透镜天线阵列，个rf链。假设该信道具有8个可解析路径。每条路径的增益如下。每条路径的物理aoa和aod遵循范围内的独立且相同分布的随机分布。所有路径
的最大延迟为100ns，并且每条路径的延迟均匀分布在[0，100ns]内。载波频率为f
c
＝28ghz，子载波数为k＝128，带宽为2ghz。
[0195]
利用这些参数，由等式(12)和等式(13)指定的针对每个rf链选择的波束或天线的数量是3。因此，针对每个rf链选择三个波束/天线。图8示出了根据现有架构的架构与根据本公开的架构之间可实现的数据速率的比较。完全数字预编码的架构也作为上限包含在内。从图8中我们可以看出，这里描述的架构可以实现比每个数据流具有1个rf链的传统架构更好的性能。它还可以达到与每个数据流有3个rf链的传统架构非常接近的性能水平。因此，本文描述的mimo架构能够以有限的额外硬件成本和能量消耗实现良好性能。
[0196]
申请人在此独立地公开了本文所述的每个单独的特征以及两个或更多个这样的特征的任何组合，只要这些特征或组合能够基于本说明书作为整体根据本领域技术人员的共同的一般性知识来执行，不管这些特征或特征的组合是否解决了本文公开的任何问题，并且不限制权利要求的范围。申请人指出，本发明的各方面可以包括任何这样的单独特征或特征组合。鉴于前面的描述，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。