波束控制方法和系统

1.本发明涉及无线移动通信技术领域，尤其涉及一种波束控制方法和系统。


背景技术：

2.为满足日益增长的业务需求，以毫米波(30ghz-300ghz，5g标准采纳)、太赫兹(0.1thz-10thz)等高频段提供的极高带宽进行移动通信成为未来移动通信网络的重要技术内容。然而，在频谱资源丰富的毫米波、太赫兹等频段，无线传播存在严重的路径损耗，以0.16thz频段的太赫兹信号为例，其传播过程将会经历高达80db/km的严重路损。大规模多输入多输出(multi-input multi-output，简称mimo)技术被公认为是攻克这一问题的关键技术之一。通过配置超大规模天线阵列，采用大规模mimo技术形成具有极高阵列增益的方向性波束，能够补偿高频段的路径损耗，同时提高系统的频谱效率。
3.但由于大规模mimo系统的天线数过多，信道维度过大，实现完整的信道信息获取较为困难。针对这个问题，通过大规模mimo阵列产生不同角度的波束，探测用户所在的物理角度方向，进行波束训练或波束追踪来快速的获取信道信息成为关键的解决方案。然而，随着未来大规模mimo系统的天线数的进一步增多，波束训练或波束追踪方法中的备选波束也进一步增多。在传统的波束训练或波束追踪方法中，在同一个时隙仅能够生成一个波束，探测一个物理角度方向，因此会产生过多的备选波束，这些备选波束将导致传统波束训练或波束追踪方法的信道信息获取开销过大，从而可供传输有效信息的资源变少，出现较大的容量损失。如何实现低开销的波束训练或波束追踪是未来大规模mimo系统所面临的重要挑战。


技术实现要素：

4.本发明提供一种波束控制方法和系统，用以解决现有技术中波束控制开销较大的问题，降低波束控制开销。
5.本发明提供一种波束控制方法，包括：对接收到的多路独立数据流采用数字预编码器进行预编码，得到数字基带预编码矩阵；对所述数字基带预编码矩阵采用射频链路进行射频采样，得到模拟预编码矩阵；根据设定的时延采用第一移相器对所述模拟预编码矩阵的参数进行第一相位调整；根据设定的角度采用第二移相器对所述模拟预编码矩阵的参数进行第二相位调整；根据进行所述第一相位调整和所述第二相位调整后的所述模拟预编码矩阵采用生成器生成n维列向量信号，以供n个天线分别发送。
6.根据本发明提供的一种波束控制方法，所述时延和所述角度由给定的角度域覆盖范围和系统参数确定，所述系统参数至少包括以下任一种：天线数、带宽和子载波数量。
7.根据本发明提供的一种波束控制方法，所述根据设定的时延对所述模拟预编码矩阵的参数采用第一移相器进行第一相位调整，包括：根据所述时延获取第一模拟波束赋形矩阵a
md
，并根据所述第一模拟波束赋形矩阵对所述模拟预编码矩阵的参数进行第一相位调整；
8.其中，所述第一模拟波束赋形矩阵为：
[0009][0010]
其中，表示连接到第i个射频链路的kd个频率选择性移相模块提供的时延的大小，i＝1，2，
……
，k，fm为第m个子载波的频率，blkdiag()是块对角线矩阵。
[0011]
根据本发明提供的一种波束控制方法，所述根据设定的角度对所述模拟预编码矩阵的参数采用采用第二移相器进行第二相位调整，包括：
[0012]
根据所述时延获取第二模拟波束赋形矩阵a
ks
，并根据所述第二模拟波束赋形矩阵对所述模拟预编码矩阵的参数进行第二相位调整；
[0013]
其中，所述第二模拟波束赋形矩阵为：
[0014][0015]
其中，k为用户的序号，a
ks
表示针对第k个用户的移相器实现的模拟波束赋形矩阵，blkdiag()是块对角线矩阵。
[0016]
本发明提供一种波束控制系统，数字预编码器，用于对接收到的多路独立数据流进行预编码，得到数字基带预编码矩阵；射频链路，用于对所述数字基带预编码矩阵进行射频采样，得到模拟预编码矩阵；第一移相器，用于根据设定的时延对所述模拟预编码矩阵的参数进行第一相位调整；第二移相器，用于根据设定的角度对所述模拟预编码矩阵的参数进行第二相位调整；生成器，用于根据进行所述第一相位调整和所述第二相位调整后的所述模拟预编码矩阵生成n维列向量信号，以供n个天线分别发送。
[0017]
根据本发明提供的一种波束控制系统，所述第二移相器包括模拟移相器和开关，或者，所述第二移相器包括反相器。
[0018]
根据本发明提供的一种波束控制系统，所述第一移相器包括延时器或者基带信号处理芯片。
[0019]
根据本发明提供的一种波束控制系统，所述第一移相器和所述第二移相器的连接方式包括全连接型结构或部分连接型结构。
[0020]
根据本发明提供的一种波束控制系统，所述第一移相器还用于：根据所述时延获取第一模拟波束赋形矩阵a
md
，并根据所述第一模拟波束赋形矩阵对所述模拟预编码矩阵的参数进行第一相位调整；其中，所述第一模拟波束赋形矩阵为：
[0021][0022]
其中，表示连接到第i个射频链路的kd个频率选择性移相模块提供的时延的大小，i＝1，2，
……
，k，fm为第m个子载波的频率，blkdiag()是块对角线矩阵。
[0023]
根据本发明提供的一种波束控制系统，所述第二移相器还用于：根据所述时延获取第二模拟波束赋形矩阵a
ks
，并根据所述第二模拟波束赋形矩阵对所述模拟预编码矩阵的参数进行第二相位调整；其中，所述第二模拟波束赋形矩阵为：
[0024][0025]
其中，k为用户的序号，a
ks
表示针对第k个用户的移相器实现的模拟波束赋形矩阵，blkdiag()是块对角线矩阵。
[0026]
本发明提供的波束控制方法和系统，通过设定的时延和角度对所述模拟预编码矩阵的参数相位调整，即可以实现对宽带波束的控制范围的调整，进而生成覆盖给定的角度域覆盖范围，同时指向多个给定物理角度方向的波束，从而降低波束训练或波束追踪的开销。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
[0028]
图1是本发明提供的波束控制方法的流程示意图；
[0029]
图2是未经控制的宽带波束的示意图；
[0030]
图3是本发明提供的经过调控变宽的宽带波束的示意图；
[0031]
图4是本发明提供的经过调控变窄的宽带波束的示意图；
[0032]
图5是本发明提供的采用时延相移联合调控的大规模mimo预编码结构的示意图；
[0033]
图6是现有技术中t＝1时的波束追踪的示意图；
[0034]
图7是现有技术中t＝2时的波束追踪的示意图；
[0035]
图8是本发明提供的t＝1时的波束追踪的示意图；
[0036]
图9是是本发明提供的t＝2时的波束追踪的示意图；
[0037]
图10是本发明提供的采用波束柔性分裂方法的波束追踪性能的曲线图。
具体实施方式
[0038]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
[0039]
在本发明一个或多个实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明一个或多个实施例。在本发明一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本发明一个或多个实施例中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0040]
应当理解，尽管在本发明一个或多个实施例中可能采用术语第一、第二等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明一个或多个实施例范围的情况下，第一也可以被称为第二，类似地，第二也可以被称为第一。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在......时”或“当......时”或“响应于确定”。
[0041]
波束成形技术会对无线信号的能量产生聚焦，形成一个指向性波束。通常波束越窄，信号增益越大。但副作用是，一旦波束的指向偏离用户，用户反而接收不到高质量的无线信号。因此，如何将波束快速对准用户便成为波束管理技术的主要内容。
[0042]
采用波束成形技术之后，基站必须使用多个不同指向的波束才能完全覆盖小区。在下行过程中，基站依次使用不同指向的波束发射无线信号，该过程被称作波束扫描，与此同时，用户测量不同波束发射出的无线信号，并向基站报告相关信息，基站根据用户报告确定对准该用户的最佳发射波束。
[0043]
此外，用户也有天线阵列。因此在波束对准的过程中既要考虑发射波束，也要考虑接收波束。用户对发射波束变换不同的接收波束，并从中选择最佳接收波束，由此产生一对最佳发射-接收波束。
[0044]
对模拟波束的选择一般只能通过搜索的方式进行。在这一过程中，发送端发射一组波束，接收端也使用一组预定的波束进行试探性的接收，以判断出最佳的收发波束组合。当信道条件发生变化时，系统将重新进入波束搜索阶段，需要对潜在的收发波束组合进行遍历搜索。
[0045]
即使对于全数字大规模天线阵列，处于参考信号开销的角度考虑，当天线规模较大时，一般也不会在每个数字通道发送独立的参考信号。这种情况下，即使全数字系统也可能无法获得完整的mimo信道矩阵。因此也有可能需要类似的波束搜索与跟踪过程。
[0046]
相关技术中，波束训练或波束追踪开销较高的原因是同一个时隙只能够探测一个物理角度方向，若能使得同一时隙探测多个方向，则波束训练或波束追踪的开销能够被大幅降低。
[0047]
本发明提出一种波束柔性分裂方法，可实现宽带波束的角度域覆盖范围灵活控制，从而可以生成指向多个物理角度方向的波束，该波束可以同时探测多个物理角度方向，因而大幅降低波束训练或波束追踪等波束管理流程的开销。
[0048]
下面结合附图对本发明示例实施方式进行详细说明。
[0049]
如图1所示的是本发明实施例的波束控制方法的流程图。如图1所示，该波束控制方法包括：
[0050]
步骤102，对接收到的多路独立数据流采用数字预编码器进行预编码，得到数字基带预编码矩阵。
[0051]
具体地，对应k个用户的多路独立数据流：数据流1...数据流k经由数字预编码器进行数字基带预编码得到数字基带预编码矩阵。预编码(precoding)的目的是降低接收机消除信道间影响实现的复杂度，发送信号进行预处理，可以将不同用户及天线之间的干扰最小化，并将信号能量集中到目标用户附近，使接收端获得较好的信噪比，提高系统信道容量。数字基带预编码是在数模转换前用矩阵处理调制的符号流。传统mimo系统中的线性和非线性预编码方案都可以直接应用到大规模mimo系统中作为数字基带预编码方案。
[0052]
步骤104，对数字基带预编码矩阵采用射频链路进行射频采样，得到模拟预编码矩阵。
[0053]
具体地，射频采样的功能由射频链路实现。射频链路可以将所接收的预编码数据流执行处理操作以生成模拟信号，即模拟预编码矩阵。模拟预编码是在数模转换之后对输入符号流进行处理。这类方案可将多根天线同时连到一条射频链路上，非常适用于大规模mimo系统天线数很多的情况，能显著降低系统硬件成本，且计算复杂度较低。
[0054]
步骤106，根据设定的时延采用第一移相器对模拟预编码矩阵的参数进行第一相位调整。
[0055]
具体地，第一相位调整即对模拟预编码矩阵进行频率选择性相移。频率选择性相移指的是针对不同频率实现不同的相移。
[0056]
步骤108，根据设定的角度采用第二移相器对模拟预编码矩阵的参数进行第二相位调整。
[0057]
具体地，第二相位调整即对模拟预编码矩阵进行频率非选择性相移。频率非选择性相移指的是针对不同频率实现相同的相移。
[0058]
步骤110，根据进行第一相位调整和第二相位调整后的模拟预编码矩阵采用生成器生成n维列向量信号，以供n个天线分别发送。
[0059]
具体地，步骤102至步骤110建立了输入数据k维列向量和输出数据n维列向量之间的映射关系，其中，输出数据包含的n路信号在经过功率放大等处理后由n个天线分别发送。
[0060]
本发明实施例的技术方案提供了一种可以应用于大规模mimo系统的波束控制方法，即波束柔性分裂方法。该波束柔性分裂方法通过设计大规模mimo系统预编码矩阵参数，即设定频率非选择性相移和频率选择性相移参数，可以实现宽带多波束的生成和对宽带波束角度域覆盖范围的灵活的动态调整，从而能够快速实现波束训练、波束追踪中的波束管理。通过调整设定的时延和角度，本发明实施例的技术方案能够控制宽带波束角度域覆盖宽度，并且不限制应用场景。例如，与波束控制相关的波束训练、波束追踪实现快速的波束管理。
[0061]
在本发明实施例中，对于给定的角度域覆盖范围，可以生成覆盖该角度域范围的宽带波束，进而可以生成同时指向多个方向的波束。具体地，频率非选择性相移可以生成给定角度范围内的某个特定角度的波束，频率选择性相移可以通过设计调整频率非选择性相移生成波束在不同子载波上的指向方向。本发明实施例的技术方案可以实现任意给定角度域覆盖范围的宽带波束的快速生成，同时，利用可灵活调整角度域覆盖范围的宽带波束可以生成同时指向多个方向的波束，从而可以快速实现大规模mimo系统的波束训练、波束追踪等波束管理。
[0062]
如图2所示的是一种未经控制的宽带波束，应用本发明实施例的技术方案可以得到如图3所示的经过调控变宽的宽带波束，也可以得到如图4所示的经过调控变窄的宽带波束。其中，θ为中心子载波的相位角度，α1和α2为中心子载波与最后一个子载波的夹角。
[0063]
其中，预编码矩阵的频率非选择性相移和频率选择性相移参数包括步骤106中的时延和步骤108中的角度。
[0064]
具体地，步骤106中的时延和步骤108中的角度由给定的角度域覆盖范围和系统参数确定，系统参数至少包括以下任一种：天线数、带宽和子载波数量。
[0065]
其中，带宽又称信道带宽，即为信道的频带宽度，为最高频率与最低频率之差。在模拟信道中，用信道有效带宽来表示信道传输的能力，单位为hz，khz，mhz或者ghz。例如：我国电话线的带宽通常为300～3400hz。在数字信道中，人们使用数据传输速率来表示信道的传输能力，单位为bps，kbps，mbps，gbps。实际上，有效带宽、传输速率和信道容量三者是有关的：带宽越宽，信道容量也就越大，而最大的传输速率就是信道容量。
[0066]
子载波是一个从频谱角度来说的概念。根据电磁波的特性，可用于通信的频段是非常有限的，每个系统被批准获得的频段也是有限的。为了服务更多的用户，可以把总频带划分成若干个子频带，每个子频带也被称为一个子载波，它决定了调制信号的传输速率。子
载波的数量即为系统拥有的子频带的数量。
[0067]
如图5所示，本发明实施例提供一种采用时延相移联合调控的大规模mimo预编码结构。
[0068]
具体地，在本发明实施例中，射频链路数n
rf
与用户数相同，每个射频链路502连接的移相器数量为kd，则与每个延时器连接的移相器的数量p可以表示为p＝n/kd，n为天线数。对应的，与射频链路502对应连接的乘法器503的数量也为n
rf
。本发明实施例的时延相移联合调控结构包括第一移相器504和第二移相器505，其中，第一移相器为延时器，第二移相器可以为模拟移相器和开关，也可以为反相器。
[0069]
移相器是控制信号相位变化的控制元件。根据不同的定义方法，移相器可以划分为不同的种类：根据控制的方式不同，有模拟式和数字式；根据工作方式的不同，可以分为反射型和传输型。此外，根据电路的拓扑不同，移相器和可以分为加载线型、开关线型或开关网络，例如，高通/低通滤波器型。移相器在微波通信系统、测量系统、雷达、电子战和干涉接收机等领域都有着广泛的应用。
[0070]
移相器有多种类型，以适用于不同的应用环境。从移相原理来看，移相器可以分为相位移移相器和时延迟移相器。
[0071]
相位移移相器在工作频率带宽上具有平坦群延迟的频率响应，其波前平面不随插入相位的变化而改变。相位移移相器对不同的相对相位移，具有平坦的频率响应，并且具有固定的群延迟，即输入射频信号脉冲包络的时序不变。
[0072]
时延迟移相器在工作频率带宽上具有平坦的群延迟频率响应，但波前平面随插入相位的变化而改变。时延迟移相器具有线性的相对相位移频率响应，其梯度随相对相位移的变化而变化，并且具有波前平面不同但平坦的群延迟频率响应。时延迟移相器的一个特殊例子是延迟线移相器。
[0073]
采用时延相移联合调控结构，下行多用户接收信号ym∈ck×1可以表示为：
[0074]
ym＝h
mamdm
s+n，
[0075]
其中，表示k个用户在第m个子载波上的下行信道，am∈cn×k表示第m个子载波上的模拟预编码矩阵，由第一移相器504和第二移相器505共同实现，dm∈ck×k是数字预编码器501输出的数字预编码矩阵，满足||a
mdm，[：，k]
||≤ρ的发送功率限制，ρ表示每个用户的发送功率，s∈ck×1表示发送信息，n∈ck×1表示噪声。s为输入大规模mimo系统的数字预编码器的多路数据流向量，其表达式为s＝[s1，s2，
…
，sk]
t
。
[0076]
模拟预编码矩阵am可以拆分为两个部分一方面，由第二移相器505实现，其中表示针对第k个用户的移相器实现的模拟波束赋形矩阵。而第一移相器504实现的模拟波束赋形部分则与频率相关。具体而言，满足
[0077]
[0078]
其中，表示连接到第i个射频链路的kd个频率选择性移相模块提供的时延的大小，i＝1，2，
……
，k，blkdiag()是块对角线矩阵。
[0079]
只要按照上述公式控制频率非选择性相移为控制频率选择性相移为即能够实现波束范围的调控。
[0080]
如图5所示，第二移相器505输出的n路数据形成子阵列1 506和子阵列k 507。
[0081]
综上，采用以上时延相移联合调控结构时，针对第k个用户的波束赋形矢量f
k，m
可以表示为
[0082]
在本发明实施例中，可以根据给定的角度域覆盖范围和系统参数确定时延和角度，并进一步生成第一模拟波束赋形矩阵和第二模拟波束赋形矩阵。
[0083]
具体地，以第k个用户为例，假定拟覆盖的角度范围则通过下述设计即可使得波束赋形矢量f
k，m
，m＝1，2，
…
m生成覆盖角度范围的宽带波束：
[0084][0085][0086][0087]
tk＝sktcp(kd)，
[0088][0089]
其中，φk和sk为辅助参数，ξm和ξ1为mimo系统的系统参数，blkdiag(b)表示以矩阵b的各列作为块对角元素生成的块对角矩阵，p(kd)＝[0，1，
…
，k
d-1]，blkdiag()是块对角线矩阵。
[0090]
在步骤106中，可以根据时延获取第一模拟波束赋形矩阵a
md
，并根据第一模拟波束赋形矩阵对模拟预编码矩阵的参数进行第一相位调整。其中，第一模拟波束赋形矩阵为：
[0091][0092]
其中，表示连接到第i个射频链路的kd个频率选择性移相模块提供的时延的大小，i＝1，2，
……
，k，fm为第m个子载波的频率。
[0093]
在步骤108中，可以根据时延获取第二模拟波束赋形矩阵a
ks
，并根据第二模拟波束赋形矩阵对模拟预编码矩阵的参数进行第二相位调整。
[0094]
其中，第二模拟波束赋形矩阵为：
[0095][0096]
其中，k为用户的序号，a
ks
表示针对第k个用户的移相器实现的模拟波束赋形矩阵，blkdiag()是块对角线矩阵。
[0097]
本发明实施例的技术方案中，灵活调整宽带波束本发明实施例的技术方案中，灵活调整宽带波束的控制范围即可以使得生成覆盖所需覆盖的角度范围，同时指向多个所需物理角度方向的波束。采用本发明实施例的波束柔性分裂方法的波束训练或波束追踪方法，与传统的波束训练或波束追踪方法相比，由于能够同时探测多个方向，可大幅降低信道信息获取开销。
[0098]
以波束追踪为例，图6、图7，图8和图9给出了采用波束柔性分裂方法的波束追踪方法和传统波束追踪方法的对比图示。具体地，如图6和图7所示的分别是采用传统波束追踪方法的t＝1和t＝2时的波束。如图8和图9所示的分别是采用本发明实施例中的波束柔性分裂方法的波束追踪方法的t＝1和t＝2时的波束。其中，θ为中心子载波的相位角度，α为中心子载波与最后一个子载波的夹角。
[0099]
图10给出了各种波束追踪方法的性能对比。采用本发明所提的波束柔性分裂方法追踪获取信道时，可以以较低的开销接近已知完美信道的全数字预编码和已知完美信道的混合预编码方案的速率性能。
[0100]
可以得出结论，相比较现有技术中的波束追踪获取信道方案，采用本发明所提的波束柔性分裂方法追踪获取信道能够有效降低波束追踪的开销约80％。
[0101]
本发明实施例的技术方案采用模数混编的预编码结构。该预编码结构可以生成数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵，以根据数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵生成波束赋形矢量。
[0102]
模数混合预编码的基本思想是将传统的全数字预编码分解为两个部分的级联：数字基带低维度预编码和模拟射频高维度预编码。其中，数字基带低维度预编码可以通过少量射频链路实现，以消除用户间干扰，模拟射频高维度预编码可以通过大量模拟移相器实现，以增加天线阵列增益。与全数字预编码相比，模数混合预编码可以较小的性能损失达到大幅降低射频链路数量和处理复杂度的目的，从而提升系统的功率效率。
[0103]
本发明实施例技术方案中的可灵活调整角度域覆盖范围的宽带波束可应用于大规模mimo系统波束训练、波束追踪等多种波束管理场景，实现快速的大规模mimo系统波束管理。
[0104]
如图5所示，本发明实施例的一种波束控制系统，该系统包括：
[0105]
数字预编码器501，用于对接收到的多路独立数据流进行预编码，得到数字基带预编码矩阵。
[0106]
具体地，对应k个用户的多路独立数据流：数据流1...数据流k经由数字预编码器进行数字基带预编码得到数字基带预编码矩阵。预编码(precoding)的目的是降低接收机消除信道间影响实现的复杂度，发送信号进行预处理，将不同用户及天线之间的干扰最小化，并将信号能量集中到目标用户附近，使接收端获得较好的信噪比，提高系统信道容量。数字基带预编码是在数模转换前用矩阵处理调制的符号流。该方案要求射频链路数量和天线数目相同，能达到很好的系统性能。传统mimo系统中的线性和非线性预编码方案都可以直接应用到大规模mimo系统中作为数字基带预编码方案。
[0107]
射频链路502，用于对数字基带预编码矩阵进行射频采样，得到模拟预编码矩阵。
[0108]
具体地，射频采样的功能由射频链路实现。射频链路可以将所接收的预编码数据流执行处理操作以生成模拟信号，即模拟预编码矩阵。模拟预编码是在数模转换之后对输
入符号流进行处理。这类方案可将多根天线同时连到一条射频链路上，非常适用于大规模mimo系统天线数很多的情况，能显著降低系统硬件成本，且计算复杂度较低。
[0109]
第一移相器504，用于根据设定的时延对模拟预编码矩阵的参数进行第一相位调整。
[0110]
具体地，第一相位调整即对模拟预编码矩阵进行频率选择性相移。频率选择性相移指针对不同频率实现不同的相移。
[0111]
第二移相器505，用于根据设定的角度对模拟预编码矩阵的参数进行第二相位调整。
[0112]
具体地，第二相位调整即对模拟预编码矩阵进行频率非选择性相移。频率非选择性相移指针对不同频率实现相同的相移。
[0113]
生成器(图中未示出)，用于根据进行第一相位调整和第二相位调整后的模拟预编码矩阵生成n维列向量信号，以供n个天线分别发送。
[0114]
本发明实施例的技术方案提供了一种可以应用于大规模mimo系统的波束控制方法，即波束柔性分裂方法。该波束柔性分裂方法通过设计大规模mimo系统预编码矩阵参数，即设定频率非选择性相移和频率选择性相移参数，可以实现宽带多波束的生成和对宽带波束角度域覆盖范围的灵活的动态调整，从而能够快速实现波束训练、波束追踪中的波束管理。通过调整设定的时延和角度，本发明实施例的技术方案能够控制宽带波束角度域覆盖宽度，并且不限制应用场景。例如，与波束控制相关的波束训练、波束追踪实现快速的波束管理。
[0115]
在本发明实施例中，对于给定的角度域覆盖范围，可以生成覆盖该角度域范围的宽带波束，进而可以生成同时指向多个方向的波束。具体地，频率非选择性相移可以生成给定角度范围内的某个特定角度的波束，频率选择性相移可以通过设计调整频率非选择性相移生成波束在不同子载波上的指向方向。本发明实施例的技术方案可以实现任意给定角度域覆盖范围的宽带波束的快速生成，同时，利用可灵活调整角度域覆盖范围的宽带波束可以生成同时指向多个方向的波束，从而可以快速实现大规模mimo系统的波束训练、波束追踪等波束管理。
[0116]
在本发明实施例中，第二移相器可以为模拟移相器和开关，也可以为反相器。第一移相器可以包括延时器或者基带信号处理芯片。延时器为模拟延时器，其可以通过硬件方式实现。基带信号处理芯片可以在数字域对每一个频点进行移相处理。
[0117]
频点的定义是固定频率带宽的一个编号，只是一个编号而已，例如某频段频率范围为2575至2635mhz，而频率带宽为20mhz，那么该频段共60mhz带宽就可以分为1，2，3共3个频点。
[0118]
本发明不限制频率非选择性相移和频率选择性相移的硬件实现方式。具体地，频率非选择性相移可由模拟移相器和开关等器件实现，频率选择性相移可由延时器等模拟信号处理器件或采用基带信号处理芯片。该基带信号处理芯片可以通过数字信号处理方法实现频率选择性相移。
[0119]
第一移相器和第二移相器的连接方式包括全连接型结构或部分连接型结构。本发明不限制频率非选择性相移和频率选择性相移的连接方式，具有相同的预编码矩阵结构和连接方式的系统均可应用本发明方法实现波束宽度控制。
[0120]
在全连接型结构中，每个射频链路通过移相器与所有天线相连，第二移相器中的移相器数量等于射频链路数与天线数之积。在部分连接结构中，每个射频链路仅与某个天线子阵列中的所有天线相连，故所需移相器数量等于天线数，而与射频链路数无关。因此，部分连接结构能提供比全连接结构更高的功率效率和更低的处理复杂度，从而可以降低硬件复杂性和插入损耗。
[0121]
第一移相器还用于：根据时延获取第一模拟波束赋形矩阵a
md
，并根据第一模拟波束赋形矩阵对模拟预编码矩阵的参数进行第一相位调整；
[0122]
其中，第一模拟波束赋形矩阵为：
[0123][0124]
其中，表示连接到第i个射频链路的kd个频率选择性移相模块提供的时延的大小，，i＝1，2，
……
，k，fm为第m个子载波的频率，blkdiag()是块对角线矩阵。
[0125]
第二移相器还用于：根据时延获取第二模拟波束赋形矩阵a
ks
，并根据第二模拟波束赋形矩阵对模拟预编码矩阵的参数进行第二相位调整；
[0126]
其中，第二模拟波束赋形矩阵为：
[0127][0128]
其中，k为用户的序号，a
ks
表示针对第k个用户的移相器实现的模拟波束赋形矩阵，blkdiag()是块对角线矩阵。
[0129]
综上，灵活调整宽带波束的控制范围即可以使得生成覆盖所需覆盖的角度范围，同时指向多个所需物理角度方向的波束。采用本发明实施例的波束柔性分裂方法的波束训练或波束追踪方法，与传统的波束训练或波束追踪方法相比，由于能够同时探测多个方向，可大幅降低信道信息获取开销。
[0130]
本发明实施例的技术方案采用模数混编的预编码结构。该预编码结构可以生成数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵，以根据数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵生成波束赋形矢量。
[0131]
模数混合预编码的基本思想是将传统的全数字预编码分解为两个部分的级联：数字基带低维度预编码和模拟射频高维度预编码。其中，数字基带低维度预编码可以通过少量射频链路实现，以消除用户间干扰，模拟射频高维度预编码可以通过大量模拟移相器实现，以增加天线阵列增益。与全数字预编码相比，模数混合预编码可以较小的性能损失达到大幅降低射频链路数量和处理复杂度的目的，从而提升系统的功率效率。
[0132]
本发明实施例技术方案中的可灵活调整角度域覆盖范围的宽带波束可应用于大规模mimo系统波束训练、波束追踪等多种波束管理场景，实现快速的大规模mimo系统波束管理。相比较现有技术中的波束追踪获取信道方案，采用本发明所提的波束柔性分裂方法追踪获取信道能够有效降低波束追踪的开销约80％。
[0133]
本发明提供的波束控制方法和系统，通过设定的时延和角度对所述模拟预编码矩阵的参数相位调整，即可以实现对宽带波束的控制范围的调整，进而生成覆盖给定的角度域覆盖范围，同时指向多个给定物理角度方向的波束，从而降低波束训练或波束追踪的开销。
[0134]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种波束控制方法，其特征在于，包括：对接收到的多路独立数据流采用数字预编码器进行预编码，得到数字基带预编码矩阵；对所述数字基带预编码矩阵采用射频链路进行射频采样，得到模拟预编码矩阵；根据设定的时延采用第一移相器对所述模拟预编码矩阵的参数进行第一相位调整；根据设定的角度采用第二移相器对所述模拟预编码矩阵的参数进行第二相位调整；根据进行所述第一相位调整和所述第二相位调整后的所述模拟预编码矩阵采用生成器生成n维列向量信号，以供n个天线分别发送。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时延和所述角度由给定的角度域覆盖范围和系统参数确定，所述系统参数至少包括以下任一种：天线数、带宽和子载波数量。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据设定的时延采用第一移相器对所述模拟预编码矩阵的参数进行第一相位调整，包括：根据所述时延获取第一模拟波束赋形矩阵a
md
，并根据所述第一模拟波束赋形矩阵对所述模拟预编码矩阵的参数进行第一相位调整；其中，所述第一模拟波束赋形矩阵为：其中，表示连接到第i个射频链路的k
d
个频率选择性移相模块提供的时延的大小，i＝1,2，
……
，k,f
m
为第m个子载波的频率，blkdiag()是块对角线矩阵。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据设定的角度采用第二移相器对所述模拟预编码矩阵的参数进行第二相位调整，包括：根据所述时延获取第二模拟波束赋形矩阵a
ks
，并根据所述第二模拟波束赋形矩阵对所述模拟预编码矩阵的参数进行第二相位调整；其中，所述第二模拟波束赋形矩阵为：其中，k为用户的序号，a
ks
表示针对第k个用户的移相器实现的模拟波束赋形矩阵，blkdiag()是块对角线矩阵。5.一种波束控制系统，其特征在于，包括：数字预编码器，用于对接收到的多路独立数据流进行预编码，得到数字基带预编码矩阵；射频链路，用于对所述数字基带预编码矩阵进行射频采样，得到模拟预编码矩阵；第一移相器，用于根据设定的时延对所述模拟预编码矩阵的参数进行第一相位调整；第二移相器，用于根据设定的角度对所述模拟预编码矩阵的参数进行第二相位调整；生成器，用于根据进行所述第一相位调整和所述第二相位调整后的所述模拟预编码矩阵生成n维列向量信号，以供n个天线分别发送。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第二移相器包括模拟移相器和开关，或者，所述第二移相器包括反相器。7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一移相器包括延时器或者基带信号
处理芯片。8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一移相器和所述第二移相器的连接方式包括全连接型结构或部分连接型结构。9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一移相器还用于：根据所述时延获取第一模拟波束赋形矩阵a
md
，并根据所述第一模拟波束赋形矩阵对所述模拟预编码矩阵的参数进行第一相位调整；其中，所述第一模拟波束赋形矩阵为：其中，表示连接到第i个射频链路的k
d
个频率选择性移相模块提供的时延的大小，i＝1,2，
……
，k,f
m
为第m个子载波的频率，blkdiag()是块对角线矩阵。10.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第二移相器还用于：根据所述时延获取第二模拟波束赋形矩阵a
ks
，并根据所述第二模拟波束赋形矩阵对所述模拟预编码矩阵的参数进行第二相位调整；其中，所述第二模拟波束赋形矩阵为：其中，k为用户的序号，a
ks
表示针对第k个用户的移相器实现的模拟波束赋形矩阵。

技术总结
本发明提供一种波束控制方法和系统，所述方法包括：对接收到的多路独立数据流采用数字预编码器进行预编码，得到数字基带预编码矩阵；对所述数字基带预编码矩阵采用射频链路进行射频采样，得到模拟预编码矩阵；根据设定的时延采用第一移相器对所述模拟预编码矩阵的参数进行第一相位调整；根据设定的角度采用第二移相器对所述模拟预编码矩阵的参数进行第二相位调整；根据进行所述第一相位调整和所述第二相位调整后的所述模拟预编码矩阵采用生成器生成N维列向量信号，以供N个天线分别发送。本发明的技术方案可以降低波束控制的开销。销。销。


技术研发人员：戴凌龙 谭竞搏 崔铭尧 陆宇
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2022.01.18
技术公布日：2023/7/31