[发明专利]低分辨率毫米波大规模MIMO混合预编码系统和方法

说明书

本发明公开了一种低分辨率毫米波大规模MIMO混合预编码系统，包括：发射机和接收机，其中所述发射机通过数字预编码器对发射信号进行数字预编码，经发送量化模块转换为低分辨率数字信号，再通过低分辨率DAC芯片转换为模拟信号，经射频链上变频后通过模拟预编码器进行模拟预编码，最后经发射天线发送；所述接收机通过接收天线接收接收信号，经模拟合并模块进行模拟合并，经射频链下变频后通过低分辨率ADC芯片转换为数字信号，通过接收量化模块转换为高分辨率数字信号，最后通过数字合并模块进行数字解调。本发明在保证系统性能损失在合理范围下配置了低分辨率的DAC和ADC芯片，并有效降低系统功耗、成本和复杂度。

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种适用于低分辨率毫米波大规模MIMO混合预编码系统和方法。

背景技术

毫米波大规模MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)通信技术是支撑5G(5thGeneration communication system，5G)的通信关键技术。毫米波大规模MIMO系统通常部署成百上千根天线，若再配置价格昂贵的高精度的DAC(Digital to Analog Converter，DAC)和ADC(Analog to Digital Converter，ADC)芯片，并且采用全数字射频链路架构势必导致射频功率开销大，信号处理复杂度高的问题。5G采用大规模MIMO技术。收发信机通过配置大规模的天线，在时域和频域资源内利用大规模天线的空分复用成倍地提升频谱效率，增强信号的网络覆盖范围和系统的容量，大规模MIMO技术通过依托现有的网络，可以成倍地提升网络用户的接入速率以及网络的整体容量。

5G采用毫米波通信技术。毫米波通信技术将用在高低频混合组网和链路回传。毫米波通信的一优势是毫米波频段有大量的、可用的和非授权的频谱而且比传统的低频段如，4G(4th Generation communication system，4G)无线通信频段，具有更大的带宽。毫米波通信的另一优势是毫米波波长处在毫米单位段，使用较小的天线尺寸(波长的一半)和天线间隔(波长的一半)，使得几十根天线可被放置在1cm²内，从而使基站和终端侧均可在相对较小的空间里获得较大的波束赋形增益。

5G采用毫米波大规模通信技术。毫米波通信技术和大规模MIMO技术都能分别大幅度提高无线通信的系统容量。在未来5G移动通信系统中，将这两种技术相结合是非常自然的，因为现有的移动通信工作频段主要集中在6GHz以下，使得频谱资源非常拥挤，而在毫米波频段(30GHz-300GHz)可用的频谱资源丰富，能够有效缓解目前低频段信号频谱十分拥挤的现状，可以实现极高速的通信，并支持5G传输速率和容量等方面的需求。此外，毫米波频段的信号具有更短的波长，可以减少大规模天线之间的间距，十分有利用大规模天线的部署，从而提供更显著的波束赋形增益和复用增益。因此，在未来5G移动通信系统中采用毫米波大规模MIMO技术以大幅提高通信系统容量颇有潜力。

虽然理论上已证明毫米波大规模MIMO技术可以将频谱效率提高数个量级，但毫米波大规模MIMO技术在实用化过程中仍面临诸多挑战。首先，射频天线设计的难度明显增大，天线间急剧增加的复杂干扰使得基带信号更加难以处理等等。其次，对于大规模MIMO系统，基站侧部署的大规模天线阵列，通常每根天线都连接一个专门的射频链路，这个射频链路包含模数转换器或数模转换器、调制解调器、混频器、功率放大器等。传统的低频通信系统中，这些器件已发展的较为成熟。但在大规模MIMO通信系统中，这些器件会在功耗、芯片尺寸和信号处理算法等方面带来全新的挑战。虽然目前的高频段芯片封装技术已经极大地降低了电子电路成本，但是较高的功耗仍然是限制毫米波通信的主要瓶颈之一。比如，ADC(或DAC)通过采样、量化将射频信号转化为数字基带信号，其能量消耗通常与其分辨率成指数关系。目前的商用级高速(5G Sample/s)高精度(8-12比特)ADC(或DAC)的功耗大概是500mw。这意味着128根大规模天线系统中每根天线若配备两个ADC(或DAC)(I/Q两路)，仅射频链路的功耗就将高达128W。