[发明专利]毫米波通信链路多波束赋形方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及毫米波无线传输技术领域，特别是涉及一种毫米波通信链路多波束赋形方法及装置。

背景技术

波束赋形技术是指采用特定的算法加权调整各个天线阵元发送信号的幅度值和相位值，以实现特定的阵列天线方向图来满足应用需求。把仅在射频或中频实现的波束赋形称为模拟波束赋形，把仅在数字基带实现的波束赋形称为数字波束赋形，而在数字基带部分完成阵元调幅、在射频部分完成阵元调相称为混合模拟数字波束赋形。波束赋形技术最初应用于雷达、声纳、军事通信中的波束扫描、目标发现和跟踪、空间滤波和抗干扰等功能。

20世纪30年代已经提出相控阵天线的概念，其后的几十年间波束赋形技术获得充足发展，同时固态大功率器件出现(如GaAs、GaN、SiC)工作带宽和功率大幅增大，各种无源和有源的相控阵雷达广泛应用到军事领域，例如：弹道导弹等高速进攻性武器的防御、空间各种军事卫星的探测，空域内的目标搜索和高分辨率测向，作为武器配套的机载无源相控阵火控雷达和舰载雷达。

90年代，随着DSP数字信号处理芯片的处理能力飞速提高和价格下降，使得利用数字信号处理方法在基带进行波束赋形进一步成为可能，因此自适应阵列天线开始应用于无线通信系统，成为抗干扰和扩容的有效手段。由于移动通信中存在多种干扰，例如，互调干扰、邻道干扰、同频干扰和多径衰落，而自适应阵列天线可实时自适应产生具备特定指标的空间定向波束，将波束主瓣对准移动台(MS)而将旁瓣或者零点对准干扰方向，因而能降低干扰提高增益。阵列天线可以实现空分多址(SDMA)，在传统的频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)之外进一步提高频谱利用率。

自适应阵列天线其波束赋形技术除了采用自适应算法，还可由固定码本波束切换技术。即在基站预先设定好有限多个波束赋形权值矢量，称为码本，每个波束赋形矢量能对应产生一个波束方向图(枚举这些方向图应可以离散地扫描整个空间)。当用户在移动时，根据接收到的用户信号，按照一定的准则(比如接收信号强度)，从码本集中选择最优码本优化波束的方向图。当用户移动至固定相邻波束的边缘地带时，用户信号弱接收效果差，因此固定码本波束切换并不总能实现信号的最佳接收，但是具有无需判断上行波达角(DOA)和无需复杂自适应算法等优点可降低基站实时处理压力。

由于波束赋形技术的众多优点，三大3G标准均支持智能天线技术，WiMAX也支持自适应天线系统(AAS，AdaptiveAntenna System)技术，而4G LTE更是在其R8版本在TM7以专用导频为基础规定了的基于端口5的单流波束赋形方案，在其R9版本在TM8定义了基于新端口7和新端口8的双流波束赋形技术(Dual-BF)，将空分复用技术和波束赋形技术结合起来。

随着对无线移动通信带宽和速率的要求和传统3GHz以下蜂窝移动频谱资源日益紧张，毫米波频段3-300GHz对应波长1mm-100mm日益受到关注(其中3-30GHz的电磁波称为超高频(SHF)，30-300GHz的电磁波称为特高频(EHF)，EHF的波长范围1mm-10mm)。毫米波技术和Massive-MIMO技术都被认为是未来5G的关键技术的一部分，许多国家也逐步开通了60GHz频谱附近、7GHz左右的完整不间断的频谱资源。毫米波有诸多优点：可利用频谱宽(有多个大气频谱窗口可用于陆地移动通信，多个大气吸收峰可用于保密通信和降低区间干扰提高小区频率复用)，波长短便于运用Massive-MIMO和系统集成，类光性传输特性波束窄抗干扰强。尤其是E波段(71-76GHz，81-86GHz)波束窄、定向性好，非常适合于发展高速点对点无线局域网，移动回传链路以及宽带接入，然而路径传播损耗大(60GHz频段的氧气吸收峰值附近损耗达15dB/Km)、障碍物衰减显著、降雨衰减严重，导致远距离NLOS(Non-Line ofSight)条件下传输困难，因此需要更大的天线增益来提供增益裕度，相比分集技术、多跳路由，波束赋形技术通过形成定向窄波束不仅能提升天线阵列增益同时能减少信号互扰，是提升毫米波通信系统性能必不可少的关键技术。

现有的毫米波束赋形技术主要有如下几种，但均有一定的缺陷和不足：

a).经典的方向图综合技术；

方向图综合技术适用于相控阵雷达，即只考虑发送端的波束赋形和接收端的阵列信号处理(发送端和接收端往往是相同的阵列天线)，这种条件下，目标只有一个点，用以反射回波。通过给每个天线不同的幅度值和相位值激烈，使得空间不用角度的接收信号的叠加场强不同，从而形成特定的方向图。