基于固定移相器的太赫兹动态子阵列波束赋形方法转让专利
申请号 : CN202010907734.3
文献号 : CN112086751B
文献日 : 2021-03-30
发明人 : 韩充 , 燕龙飞
申请人 : 上海交通大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于固定移相器的太赫兹动态子阵列波束赋形系统的太赫兹动态子阵列波束赋形方法,其特征在于,所述系统包括:若干并联的发射端的射频链、设置于每个射频链输出端的若干个FPS单元、与FPS单元输出端相连的多选开关以及若干与多选开关相连的放大器及发射天线,其中:射频链根据通信基带处理过后的信号进行数模转换、上变频、放大及滤波处理并输出高频信号,FPS单元根据输入的高频信号进行移相处理并输出移相后的高频信号,多选开关根据逐行算法控制信息连接相应的FPS单元与放大器单元,放大器根据天线输入信息进行信号放大处理并输出功率放大后的高频信号至发射天线;
所述的FPS单元采用将输入信号的相位调节某一固定偏移功能的固定移相器;
所述的太赫兹动态子阵列波束赋形方法,包括以下步骤:步骤1:将天线阵列、射频链分为m组,其中m可自由调节,每个射频链连接并行的m个FPS单元,其中FPS单元的调节相位从第一个到第m个依次设置为0,2π/m,…2π(m‑1)/m;
步骤2:根据信道信息,运行逐行算法,计算得到多选开关的状态;
步骤3:根据计算结果,调节多选开关,使得每个FPS与相对应的放大器及天线单元相连接,从而完成波束赋形过程;
所述的逐行算法,具体包括:
2.1随机初始化Nt行Lt列的矩阵PA,具体为:每一行仅设置一个模为一的非零元素,其他元素设置为零;
opt
2.2计算 其中: 为广义逆矩阵操作,P 为纯数字波束赋形矩阵;
2.3循环计算矩阵PA中每行的Lt列个元素的相位 其中:φ为opt
PD的第k行与P 的第i行的共轭转置的乘积的相位,N为任意非负整数;
2.4从Lt个相位中寻找使得 最小的结果,保留PA在该位置的值,并使其同一行中其他元素为0,以此方式遍历所有Nt行;
2.5令 后返回步骤2.2,直到算法收敛;
2.6根据PA=S·F计算开关状态矩阵S,其中:对角矩阵F的对角线元素的模均为一,相位依次为0、2π/m、…、2π(m‑1)/m,开关状态矩阵S中的元素值1表示开关闭合,0表示开关断开。
2.根据权利要求1所述的太赫兹动态子阵列波束赋形方法,其特征是,所述的射频链包括:依次相连的数模转换器、混频器、放大器以及滤波器,其中:混频器与太赫兹信号振荡器相连,将模拟信号进行调制后进行放大。
3.根据权利要求1所述的太赫兹动态子阵列波束赋形方法,其特征是,所述的多选开关采用单刀多掷开关,其中:单刀端与放大器及天线相连,多掷端与FPS单元相连。
说明书 :
基于固定移相器的太赫兹动态子阵列波束赋形方法
技术领域
背景技术
束赋形结构不再适用。现有改进技术通过混合波束赋形结构实现与纯数字波束赋形结构相
近的频谱效率。与此同时,硬件复杂度和功耗相比于纯数字波束赋形结构大大降低。全连接
结构和子阵列结构为较为常见的两种混合波束赋形结构,由于高功耗的影响,全连接结构
的能量效率较低。与之相反,在子阵列结构中,天线与射频链路采用较为简单的部分连接的
方式,因此功耗以及硬件复杂度较低。但是,受限于部分连接的方式,子阵列结构的频谱效
率较低。由于这一原因,子阵列结构的能量效率也较低。太赫兹超大规模多输入输出系统需
要同时具备高能量效率及低硬件复杂度,已有的全连接和子阵列结构均无法实现该要求。
频谱效率,但是由于额外的开关网络的引入,硬件复杂度以及功耗也随之提高。由于这一原
因,相比较于子阵列结构,动态子阵列结构的能量效率提升有限,仍无法满足太赫兹系统要
求。
发明内容
在动态子阵列结构中使用固定移相器,将硬件移相器个数减少32倍的同时,能量效率提高
76%并达到太赫兹系统高能量效率以及低硬件复杂度的要求。
连的多选开关以及若干与多选开关相连的放大器及发射天线,其中:射频链根据通信基带
处理过后的信号进行数模转换、上变频、放大及滤波处理并输出高频信号,FPS单元根据输
入的高频信号进行移相处理并输出移相后的高频信号,多选开关根据逐行(RBR)算法控制
信息连接相应的FPS 单元与放大器单元,放大器根据天线输入信息进行信号放大处理并输
出功率放大后的高频信号至发射天线。
32倍,使波束赋形结构能量效率提高76%;经分析,动态子阵列(DS)架构中低量化精度移相
器(QPS)和仅可进行固定相位偏移的固定移相器(FPS),与使用无限分辨率移相器(IPS)相
比,这两种移相器显著降低了硬件复杂度和功耗。
附图说明
化精度移相器的动态子阵列的频谱效率示意图,其中FC为全连接结构,AoSA为子阵列结构,
DS‑IPS为基于无限分辨率移相器的动态子阵列结构;(c)为基于固定移相器的动态子阵列
结构 (DS‑FPS)的频谱效率示意图;
具体实施方式
FPS单元输出端相连的多选开关以及若干与多选开关相连的放大器及发射天线,其中:射频
链根据通信基带处理过后的信号进行数模转换、上变频、放大及滤波处理并输出高频信号,
FPS单元根据输入的高频信号进行移相处理并输出移相后的高频信号,多选开关根据RBR算
法控制信息连接相应的FPS单元与放大器单元,放大器根据天线输入信息进行信号放大处
理并输出功率放大后的高频信号至发射天线。
opt
φ为PD的第k行与P 的第i行的共轭转置的乘积的相位,N为任意非负整数。
关断开。
定移相器的动态子阵列结构可以实现0.53bps/Hz/W的能量效率。
Trans.Wireless Commun.,vol.16,no.5,pp.2907–2920,May.2017.中公开的算法。
还发现,虽然DS‑FPS架构的频谱效率比DS‑QPS架构低21%,但低成本DS‑FPS架构提供的能
量效率比DS‑QPS高30%。
限,在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。