毫米波通信中混合波束赋形技术探讨
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
关键词：毫米波通信；混合波束赋形；移动通信 中图分类号：TN928 文献标识码：A 文章编号：1003-9767（2019）01-200-03
Discussion on Hybrid Beamforming Technology in Millimeter Wave Communication
Zhang Bo
波束赋形技术时，首先由 Ntc×Ns 基带数字波束赋形 FBB 处理
基站发出的数据流；其次，由 Ntc 条射频链路传输，通过模
拟移相器网络实现 Nt×Ntc 模拟波束赋形 FRF 处理；最后，通
过基站天线完成发射 [1]。其中：s 表示 Ns×1 的发送符号向量，
满足 E ssH=
1 Ns
×
||FRFFBB||2F=Ns。经过 Nr×Nt 毫米波通信道矩阵 H 传输后，用
户端接收到的信号为：
=y ρ HFRF × FBBs + n
（2）
其中：y 表示 Nr×1 的接收符号向量，ρ 表示标量，为
发 送 符 号 功 率，n 表 示 Nr×1 的 高 斯 噪 声 向 量， 元 素 服 从
作者简介：张博 (1983—)，女，辽宁新民人，硕士研究生，主任科员。研究方向：网络通信。
=y ρWBBHWRF H FBB + WBBHWRF H n
（3）
其中，y 表示检测出的 Ns×1 的发射符号。模拟波束赋
形矩阵 WRF 在射频端实现，只能调节相位，且满足恒幅约束。
数字波束赋形矩阵 WBB 在数字基带实现，可以实现相和幅度
调节。当传输的高斯信号通过毫米波系统时，毫米波系统频
谱效率可表示为：
— ２００ —
2019 年第 1 期
信息与电脑 China Computer & Communication
Fra Baidu bibliotek
网络与通信技术
CN(0,σ 2n)。 混合波束赋形处理用户端天线阵列接收到信号时，需要
由射频端的 Nr×Nrc 模拟波束赋形 WRF 处理，利用 Nrc 条射频 链路传输后，由 Nrc×Ns 基带数字波束赋形 WBB 处理即可将 发送信号恢复：
I NS ，相应的基站端传输离散时间信号为：
x=FRF×FBBs
（1）
实现模拟波束赋形矩阵 FRF 时，需要以射频端模拟移相
器 网 络 为 基 础， 只 有 相 位 可 调， 可 满 足 恒 幅 约 束。 数 字 波
束赋形矩阵 FBB 在数字基带中实现，可以实现相位和幅度的
调 节。 另 外， 基 站 端 发 射 符 号 还 需 满 足 功 率 约 束 条 件， 即
网络与通信技术
信息与电脑 China Computer & Communication
毫米波通信中混合波束赋形技术探讨
2019 年第 1 期
张 博
（国家知识产权局专利局通信发明审查部，北京 100088）
摘 要：毫米波通信为 5G 移动通信的关键技术之一，对进一步提高移动通信质量具有巨大的推动作用；但是，其路 径损耗大、穿透性能低，实际应用中必须与大规模多输入多输出技术相结合，利用波束赋形技术增强通信质量，降低路 径损耗和信号衰减。为降低实际成本，混合波束赋形技术对毫米波通信的实现具有非常重要的意义，笔者主要对其进行 了探讨。
１ 毫米波通信系统模型
1.1 单用户模型
单用户毫米波通信系统即一个配有 Nt 天线的基站利用毫 米波信道向设置有 Nr 天线的用户传输 Ns 个数据流。在此过 程中，基站端射频链路共有 Ntc 条，用户端共有 Nrc 条。为保 证达到多流同时传输的效果，要求基站端与用户端的射频链 路要满足一定条件，即 Ns ≤ Ntc ≤ Nt，Ns ≤ Nrc ≤ Nr。应用混合
=R
log2
IN x
+
ρ Ns
+
Rn−1 + WBB HWRF H HFRF FBB FBB H FRF H H HWRFWBB
Key words: millimeter wave communication; hybrid beamforming; mobile communication
０ 引言
虽然通过波束赋形技术可以有效增强毫米波通信质量， 但是还存在高成本、高功耗等问题。为解决此问题，提出了 混合波束赋形技术，通过与数字域和模拟域波束赋形结合， 能够有效减少射频链路数，降低系统复杂度。基于毫米波通 信的特点，研究降低计算复杂度低的方法，从而降低传统空 间稀疏混合波束赋形算法的计算复杂度。
(Communication Invention Examination Department of Patent Office, National Intellectual Property Administration, Beijing 100088, China)
Abstract: Millimeter-wave communication is one of the key technologies of 5G mobile communication, which has a great impetus to further improve the quality of mobile communication. However, its path loss is large and its penetration performance is low. In practical application, it must be combined with large-scale MIMO technology. Beam shaping technology is used to enhance penetration and reduce path loss and signal attenuation. In order to reduce the actual cost, the hybrid beamforming technology is very important to the realization of millimeter-wave communication. The author mainly discusses it.
Discussion on Hybrid Beamforming Technology in Millimeter Wave Communication
Zhang Bo
波束赋形技术时，首先由 Ntc×Ns 基带数字波束赋形 FBB 处理
基站发出的数据流；其次，由 Ntc 条射频链路传输，通过模
拟移相器网络实现 Nt×Ntc 模拟波束赋形 FRF 处理；最后，通
过基站天线完成发射 [1]。其中：s 表示 Ns×1 的发送符号向量，
满足 E ssH=
1 Ns
×
||FRFFBB||2F=Ns。经过 Nr×Nt 毫米波通信道矩阵 H 传输后，用
户端接收到的信号为：
=y ρ HFRF × FBBs + n
（2）
其中：y 表示 Nr×1 的接收符号向量，ρ 表示标量，为
发 送 符 号 功 率，n 表 示 Nr×1 的 高 斯 噪 声 向 量， 元 素 服 从
作者简介：张博 (1983—)，女，辽宁新民人，硕士研究生，主任科员。研究方向：网络通信。
=y ρWBBHWRF H FBB + WBBHWRF H n
（3）
其中，y 表示检测出的 Ns×1 的发射符号。模拟波束赋
形矩阵 WRF 在射频端实现，只能调节相位，且满足恒幅约束。
数字波束赋形矩阵 WBB 在数字基带实现，可以实现相和幅度
调节。当传输的高斯信号通过毫米波系统时，毫米波系统频
谱效率可表示为：
— ２００ —
2019 年第 1 期
信息与电脑 China Computer & Communication
Fra Baidu bibliotek
网络与通信技术
CN(0,σ 2n)。 混合波束赋形处理用户端天线阵列接收到信号时，需要
由射频端的 Nr×Nrc 模拟波束赋形 WRF 处理，利用 Nrc 条射频 链路传输后，由 Nrc×Ns 基带数字波束赋形 WBB 处理即可将 发送信号恢复：
I NS ，相应的基站端传输离散时间信号为：
x=FRF×FBBs
（1）
实现模拟波束赋形矩阵 FRF 时，需要以射频端模拟移相
器 网 络 为 基 础， 只 有 相 位 可 调， 可 满 足 恒 幅 约 束。 数 字 波
束赋形矩阵 FBB 在数字基带中实现，可以实现相位和幅度的
调 节。 另 外， 基 站 端 发 射 符 号 还 需 满 足 功 率 约 束 条 件， 即
网络与通信技术
信息与电脑 China Computer & Communication
毫米波通信中混合波束赋形技术探讨
2019 年第 1 期
张 博
（国家知识产权局专利局通信发明审查部，北京 100088）
摘 要：毫米波通信为 5G 移动通信的关键技术之一，对进一步提高移动通信质量具有巨大的推动作用；但是，其路 径损耗大、穿透性能低，实际应用中必须与大规模多输入多输出技术相结合，利用波束赋形技术增强通信质量，降低路 径损耗和信号衰减。为降低实际成本，混合波束赋形技术对毫米波通信的实现具有非常重要的意义，笔者主要对其进行 了探讨。
１ 毫米波通信系统模型
1.1 单用户模型
单用户毫米波通信系统即一个配有 Nt 天线的基站利用毫 米波信道向设置有 Nr 天线的用户传输 Ns 个数据流。在此过 程中，基站端射频链路共有 Ntc 条，用户端共有 Nrc 条。为保 证达到多流同时传输的效果，要求基站端与用户端的射频链 路要满足一定条件，即 Ns ≤ Ntc ≤ Nt，Ns ≤ Nrc ≤ Nr。应用混合
=R
log2
IN x
+
ρ Ns
+
Rn−1 + WBB HWRF H HFRF FBB FBB H FRF H H HWRFWBB
Key words: millimeter wave communication; hybrid beamforming; mobile communication
０ 引言
虽然通过波束赋形技术可以有效增强毫米波通信质量， 但是还存在高成本、高功耗等问题。为解决此问题，提出了 混合波束赋形技术，通过与数字域和模拟域波束赋形结合， 能够有效减少射频链路数，降低系统复杂度。基于毫米波通 信的特点，研究降低计算复杂度低的方法，从而降低传统空 间稀疏混合波束赋形算法的计算复杂度。
(Communication Invention Examination Department of Patent Office, National Intellectual Property Administration, Beijing 100088, China)
Abstract: Millimeter-wave communication is one of the key technologies of 5G mobile communication, which has a great impetus to further improve the quality of mobile communication. However, its path loss is large and its penetration performance is low. In practical application, it must be combined with large-scale MIMO technology. Beam shaping technology is used to enhance penetration and reduce path loss and signal attenuation. In order to reduce the actual cost, the hybrid beamforming technology is very important to the realization of millimeter-wave communication. The author mainly discusses it.