本發(fā)明涉及無(wú)線通信，特別是涉及一種模擬全連接-模擬子陣連接-數(shù)字全連接三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列及mimo收發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、波束賦形技術(shù)是毫米波大規(guī)模mimo系統(tǒng)中的重要技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信等領(lǐng)域。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)通信系統(tǒng)提出了高通信速率、大系統(tǒng)容量和多用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2、目前波束賦形架構(gòu)主要分為模擬波束賦形、數(shù)字波束賦形和混合波束賦形。模擬波束賦形架構(gòu)通過(guò)模擬移相器、可變?cè)鲆娣糯笃髟谏漕l鏈路中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的幅相控制，模擬波束賦形架構(gòu)中多個(gè)射頻鏈路僅與一路基帶通道相連，具有簡(jiǎn)單的系統(tǒng)集成方式，但只能產(chǎn)生一個(gè)波束，不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)容量低。數(shù)字波束賦形架構(gòu)通過(guò)多路獨(dú)立的基帶通道進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的幅相調(diào)控，能夠同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束，具有理論最優(yōu)的系統(tǒng)容量，但在應(yīng)用于大規(guī)模陣列時(shí)，數(shù)字波束賦形架構(gòu)需要大量基帶通道，大幅增加基帶硬件成本和信號(hào)處理復(fù)雜度。

3、為解決上述問(wèn)題，混合波束賦形架構(gòu)被提出，結(jié)合了模擬波束賦形和數(shù)字波束賦形的優(yōu)勢(shì)，能夠大大降低系統(tǒng)功耗和復(fù)雜度，同時(shí)保證波束賦形精度和靈活性。目前混合波束賦形架構(gòu)包括全連接架構(gòu)和子陣部分連接架構(gòu)。全連接架構(gòu)中每一個(gè)基帶通道均在經(jīng)過(guò)射頻鏈路后與天線連接，具有較高的自由度，能夠同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束，理論上具有實(shí)現(xiàn)最優(yōu)系統(tǒng)容量的潛力。但其射頻通道數(shù)量多，在陣列規(guī)模增加時(shí)，電路復(fù)雜度提高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的全連接相控陣列集成。子陣部分連接架構(gòu)中，每一個(gè)基帶通道與模擬波束賦形子陣相連，兼具高性能和低復(fù)雜度，能夠同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束，但波束的數(shù)量受限于子陣的數(shù)量，波束的指向受限于子陣方向圖，限制了波束賦形的靈活性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有上述的技術(shù)中的缺陷，而提供一種一種模擬全連接-模擬子陣連接-數(shù)字全連接三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列及mimo收發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列，同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束，實(shí)現(xiàn)q×m種獨(dú)立信號(hào)同時(shí)傳輸，具有高系統(tǒng)波束賦形性能和低電路設(shè)計(jì)、基帶信號(hào)處理復(fù)雜度優(yōu)勢(shì)。

2、本發(fā)明的第一方面，提供一種三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列，包括具有模擬全連接架構(gòu)的p×q個(gè)第一級(jí)子陣列、具有模擬子陣連接架構(gòu)的q個(gè)第二級(jí)子陣列和具有數(shù)字全連接架構(gòu)的第三級(jí)子陣列；

3、沿信號(hào)發(fā)射方向，所述模擬全連接-模擬子陣連接-數(shù)字全連接三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列依次包括第三級(jí)子陣列、第二級(jí)子陣列和第一級(jí)子陣列；沿信號(hào)接收方向，所述模擬全連接-模擬子陣連接-數(shù)字全連接三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列依次包括第一級(jí)子陣列、第二級(jí)子陣列和第三級(jí)子陣列；

4、每個(gè)所述第一級(jí)子陣列包括一個(gè)模擬全連接相控陣列，所述模擬全連接相控陣列具有m個(gè)輸入端口和n個(gè)輸出端口；每個(gè)第二級(jí)子陣列由p個(gè)所述第一級(jí)子陣列通過(guò)m個(gè)第一功率分配網(wǎng)絡(luò)與一個(gè)數(shù)字收發(fā)模塊相連接構(gòu)成，所述數(shù)字收發(fā)模塊具有m個(gè)輸入/輸出端口，q個(gè)第二級(jí)子陣列有q×m個(gè)輸入/輸出端口；所述第三級(jí)子陣列由q個(gè)所述第二級(jí)子陣列通過(guò)端口與m個(gè)基帶連接構(gòu)成，每個(gè)所述基帶有q個(gè)基帶通道，m個(gè)基帶有q×m個(gè)基帶通道。

5、其中，每個(gè)第二級(jí)子陣列中，每個(gè)所述第一級(jí)子陣列連接一個(gè)所述第一功率分配網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)所述第一功率分配網(wǎng)絡(luò)與一個(gè)所述數(shù)字收發(fā)模塊連接后構(gòu)成一個(gè)所述第二級(jí)子陣列，形成q個(gè)第二級(jí)子陣列。

6、其中，q個(gè)所述第二級(jí)子陣列的q×m個(gè)輸入/輸出端口分別與m個(gè)基帶的q×m個(gè)基帶通道連接。

7、其中，每個(gè)所述模擬全連接相控陣列，在發(fā)射信號(hào)時(shí)，由m個(gè)輸入端口輸入m路獨(dú)立的信號(hào)，m路獨(dú)立的信號(hào)中的每一路信號(hào)分別通過(guò)一個(gè)第二功率分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行n路等幅同相的功率分配，共產(chǎn)生m×n路輸出信號(hào)分別經(jīng)過(guò)m×n條幅相調(diào)控通道；其中，第i路輸入信號(hào)產(chǎn)生n路功率分配信號(hào)sij分別經(jīng)過(guò)m×n條幅相調(diào)控通道被分為n組信號(hào)sin后輸入一個(gè)第三功率分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率合成，輸出n路信號(hào)；n路信號(hào)中的每一路信號(hào)包含m種獨(dú)立信號(hào)，經(jīng)功率放大后分別輸出到n個(gè)輸出端口；

8、接收信號(hào)時(shí)，信號(hào)由n個(gè)輸出端口接收，輸入n個(gè)輸出端口的n路信號(hào)中每一路信號(hào)分別經(jīng)功率放大后通過(guò)一個(gè)第三功率分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行m路等幅同相的功率分配，產(chǎn)生m×n路信號(hào)分別經(jīng)過(guò)m×n條幅相調(diào)控通道；其中，第j路輸入信號(hào)產(chǎn)生m路功率分配信號(hào)sij分別進(jìn)入m×n條幅相調(diào)控通道被分為m組信號(hào)smj后輸入一個(gè)第二功率分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率合成，產(chǎn)生m路輸出信號(hào)。

9、其中，所述模擬全連接相控陣列包括通道間具有高隔離度的幅相控制通道，所述幅相控制通道布置于第二功率分配網(wǎng)絡(luò)與第三功率分配網(wǎng)絡(luò)之間，包括相互連接的幅度控制模塊和相位控制模塊，所述幅度控制模塊與第二功率分配網(wǎng)絡(luò)連接，所述相位控制模塊與第三功率分配網(wǎng)絡(luò)連接，所述幅度控制模塊和相位控制模塊均獨(dú)立調(diào)控且分時(shí)雙向工作，通過(guò)切換實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收時(shí)的幅相控制，同一時(shí)刻僅支持發(fā)射/接收單向信號(hào)傳輸。

10、其中，所述第三功率分配網(wǎng)絡(luò)與具有開(kāi)關(guān)切換功能的功率放大模塊連接，所述放大器模塊包括信號(hào)放大方向相反的功率放大器和低噪聲放大器以及兩個(gè)用于切換信號(hào)放大通道的切換開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收/發(fā)射放大通道切換控制。

11、其中，所述第二級(jí)子陣列中，數(shù)字收發(fā)模塊的m路輸出信號(hào)中的每一路信號(hào)輸入一個(gè)所述第一功率分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行p路等幅同相功率分配，產(chǎn)生p×m路輸出信號(hào)輸出至p個(gè)第一級(jí)子陣列；其中，第i個(gè)第一功率分配網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生m路功率分配信號(hào)sij，產(chǎn)生的p×m路信號(hào)被分為p組信號(hào)sip后輸入p個(gè)第一級(jí)子陣列，產(chǎn)生p×n路輸出信號(hào)。

12、其中，所述數(shù)字收發(fā)模塊有m路收發(fā)通道，每路所述收發(fā)通道包括放大器、變頻器、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，所述放大器、變頻器、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊分時(shí)實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)射；

13、沿信號(hào)發(fā)射方向，所述數(shù)字收發(fā)模塊包括依次連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、上變頻器和放大器；沿信號(hào)接收方向，所述數(shù)字收發(fā)模塊包括依次連接的放大器、下變頻器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

14、其中，所述第三級(jí)子陣列中，其第j個(gè)第二級(jí)子陣列輸出第i路信號(hào)sij，產(chǎn)生q×m路信號(hào)后被分為m組信號(hào)smj后輸入至第m個(gè)基帶的q個(gè)基帶通道。

15、本發(fā)明的第二方面，提供一種mimo收發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)，包括所述的三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列。

16、本發(fā)明提供的三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列，采用模擬全連接-模擬子陣連接-數(shù)字全連接的三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列架構(gòu)，降低了傳統(tǒng)全連接混合波束賦形陣列架構(gòu)的電路復(fù)雜度，提升了傳統(tǒng)子陣連接混合波束賦形陣列架構(gòu)的波束賦形性能，是能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模低復(fù)雜高性能的混合波束賦形陣列。

技術(shù)特征：

1.三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列，其特征在于，包括具有模擬全連接架構(gòu)的p×q個(gè)第一級(jí)子陣列、具有模擬子陣連接架構(gòu)的q個(gè)第二級(jí)子陣列和具有數(shù)字全連接架構(gòu)的第三級(jí)子陣列；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列，其特征在于，每個(gè)第二級(jí)子陣列中，每個(gè)所述第一級(jí)子陣列連接一個(gè)所述第一功率分配網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)所述第一功率分配網(wǎng)絡(luò)與一個(gè)所述數(shù)字收發(fā)模塊連接后構(gòu)成一個(gè)所述第二級(jí)子陣列，形成q個(gè)第二級(jí)子陣列。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列，其特征在于，q個(gè)所述第二級(jí)子陣列的q×m個(gè)輸入/輸出端口分別與m個(gè)基帶的q×m個(gè)基帶通道連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列，其特征在于，每個(gè)所述模擬全連接相控陣列，在發(fā)射信號(hào)時(shí)，由m個(gè)輸入端口輸入m路獨(dú)立的信號(hào)，m路獨(dú)立的信號(hào)中的每一路信號(hào)分別通過(guò)一個(gè)第二功率分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行n路等幅同相的功率分配，共產(chǎn)生m×n路輸出信號(hào)分別經(jīng)過(guò)m×n條幅相調(diào)控通道；其中，第i路輸入信號(hào)產(chǎn)生n路功率分配信號(hào)sij分別經(jīng)過(guò)m×n條幅相調(diào)控通道被分為n組信號(hào)sin后輸入一個(gè)第三功率分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率合成，輸出n路信號(hào)；n路信號(hào)中的每一路信號(hào)包含m種獨(dú)立信號(hào)，經(jīng)功率放大后分別輸出到n個(gè)輸出端口；

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列，其特征在于，所述模擬全連接相控陣列包括通道間具有高隔離度的幅相控制通道，所述幅相控制通道布置于第二功率分配網(wǎng)絡(luò)與第三功率分配網(wǎng)絡(luò)之間，包括相互連接的幅度控制模塊和相位控制模塊，所述幅度控制模塊與第二功率分配網(wǎng)絡(luò)連接，所述相位控制模塊與第三功率分配網(wǎng)絡(luò)連接，所述幅度控制模塊和相位控制模塊均獨(dú)立調(diào)控且分時(shí)雙向工作，通過(guò)切換實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收時(shí)的幅相控制，同一時(shí)刻僅支持發(fā)射/接收單向信號(hào)傳輸。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列，其特征在于，所述第三功率分配網(wǎng)絡(luò)與具有開(kāi)關(guān)切換功能的放大器模塊連接，所述放大器模塊包括信號(hào)放大方向相反的功率放大器和低噪聲放大器以及兩個(gè)用于切換信號(hào)放大通道的切換開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收/發(fā)射放大通道切換控制。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列，其特征在于，所述第二級(jí)子陣列中，數(shù)字收發(fā)模塊的m路輸出信號(hào)中的每一路信號(hào)輸入一個(gè)所述第一功率分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行p路等幅同相功率分配，產(chǎn)生p×m路輸出信號(hào)輸出至p個(gè)第一級(jí)子陣列；其中，第i個(gè)第一功率分配網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生m路功率分配信號(hào)sij，產(chǎn)生的p×m路信號(hào)被分為p組信號(hào)sip后輸入p個(gè)第一級(jí)子陣列，產(chǎn)生p×n路輸出信號(hào)。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列，其特征在于，所述數(shù)字收發(fā)模塊有m路收發(fā)通道，每路所述收發(fā)通道包括放大器、變頻器、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，所述放大器、變頻器、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊分時(shí)實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)射；

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列，其特征在于，所述第三級(jí)子陣列中，其第j個(gè)第二級(jí)子陣列輸出第i路信號(hào)sij，產(chǎn)生q×m路信號(hào)后被分為m組信號(hào)smj后輸入至第m個(gè)基帶的q個(gè)基帶通道。

10.mimo收發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)，其特征在于，包括權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列及MIMO收發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)。三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列沿信號(hào)發(fā)射方向，依次包括具有數(shù)字全連接架構(gòu)的第三級(jí)子陣列、具有模擬子陣連接架構(gòu)第二級(jí)子陣列和具有模擬全連接架構(gòu)的第一級(jí)子陣列；沿信號(hào)接收方向，依次包括具有模擬全連接架構(gòu)的第一級(jí)子陣列、具有模擬子陣連接架構(gòu)第二級(jí)子陣列和具有數(shù)字全連接架構(gòu)的第三級(jí)子陣列。本發(fā)明結(jié)合傳統(tǒng)全連接混合波束賦形架構(gòu)和子陣連接波束賦形架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模三層數(shù)字模擬混合波束賦形陣列，同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束，并具有高系統(tǒng)波束賦形性能和低電路設(shè)計(jì)、基帶信號(hào)處理復(fù)雜度優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)研發(fā)人員：劉玫承,侯岳峰,馬凱學(xué)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8