本發(fā)明涉及一種模擬波束成形系統(tǒng)，尤其涉及一種受總功率約束的開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在未來5G的潛在技術(shù)中，已經(jīng)證明大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)能夠?qū)⑾到y(tǒng)頻譜效率提高幾倍。典型的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)是蜂窩通信，其中基站(BS)配備有大量天線以服務(wù)移動(dòng)用戶。此外，隨著高頻通信(特別是高于30GHz)的發(fā)展，大量天線不僅是可能的，而且還必須補(bǔ)償由于緊湊的天線尺寸而引起的小陣列增益。

數(shù)字波束成形是MIMO系統(tǒng)中發(fā)展良好的技術(shù)，其具有靈活性，適應(yīng)性和性能優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)。然而，數(shù)字波束成形太昂貴并且太耗功率不能應(yīng)用于大規(guī)模MIMO中，因?yàn)槊總€(gè)天線均與一個(gè)昂貴的RF(射頻)鏈連接，通常由功率放大器、模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模擬轉(zhuǎn)換器和混頻器等組成。

隨著高頻通信的發(fā)展，特別是60GHz的發(fā)展，由于緊湊型天線的尺寸，大量的天線不但是可能而且是必須用來補(bǔ)償小陣列增益。為了節(jié)省數(shù)字波束形成中射頻鏈(RF鏈的成本和功耗非常高)的數(shù)目，在RF域中對(duì)模擬域的波束形成操作采用移相器和功率放大器的方法，重新獲得了更多的關(guān)注。模擬RF架構(gòu)和波束形成算法的設(shè)計(jì)已在一些出版物被徹底研究。這些工作表明，與使用數(shù)字波束形成的傳統(tǒng)架構(gòu)相比，使用模擬波束形成的性能缺陷通過降低硬件開銷成本是合理的。雖然模擬波束形成有功率和成本方面的優(yōu)勢(shì)，但是在設(shè)計(jì)RF硬件時(shí)，特別是對(duì)于毫米波(mm-wave)載波信號(hào)，完成模擬波束形成會(huì)遇到巨大的挑戰(zhàn)和可靠性問題。現(xiàn)有技術(shù)中也有人提出了一些簡(jiǎn)單的模擬波束形成結(jié)構(gòu)來降低其硬件復(fù)雜度，但卻是以降低性能為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的。與移相器一樣，具有可變?cè)鲆娴纳漕l功率放大器也十分必要，這也是使得在實(shí)現(xiàn)模擬波束形成時(shí)仍具有挑戰(zhàn)性和昂貴的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是需要提供一種合理控制成本、體積小、速度快、線性帶寬且頻率高的受總功率約束的的開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)。

對(duì)此，本發(fā)明提供一種受總功率約束的開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)，包括：發(fā)射端射頻鏈、射頻開關(guān)組件和接收端射頻鏈，所述發(fā)射端射頻鏈與射頻開關(guān)組件的輸入端相連接，所述射頻開關(guān)組件的輸出端與所述接收端射頻鏈相連接；其中，所述射頻開關(guān)組件包括N個(gè)發(fā)射射頻開關(guān)以及N個(gè)與發(fā)射射頻開關(guān)相對(duì)應(yīng)的發(fā)射射頻天線，N為發(fā)射射頻天線的個(gè)數(shù)，N取自然數(shù)；所述射頻開關(guān)組件選擇一個(gè)射頻開關(guān)作為接收射頻開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射射頻開關(guān)與接收射頻開關(guān)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，且所述發(fā)射射頻開關(guān)與接收射頻開關(guān)之間的信道具有高斯分布的獨(dú)立分布變量，所述開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)根據(jù)信道信息控制射頻開關(guān)組件的射頻開關(guān)狀態(tài)以最大化接收信噪比；所述射頻開關(guān)組件的發(fā)射射頻天線的發(fā)射功率由發(fā)射機(jī)的總功率約束，所述發(fā)射機(jī)的總功率均勻分配給射頻開關(guān)組件的所有發(fā)射射頻天線。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述N個(gè)發(fā)射射頻開關(guān)的輸入端均與所述發(fā)射端射頻鏈的輸出端相連接，每一個(gè)發(fā)射射頻開關(guān)的輸出端分別連接至一個(gè)與之一一對(duì)應(yīng)的發(fā)射射頻天線。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述射頻開關(guān)組件還包括接收射頻開關(guān)以及與接收射頻開關(guān)相對(duì)應(yīng)的接收射頻天線，所述接收射頻開關(guān)的輸入端連接至與之一一對(duì)應(yīng)的接收射頻天線，所述接收射頻開關(guān)的輸出端均與所述接收端射頻鏈的輸入端相連接。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述發(fā)射端射頻鏈中，發(fā)射機(jī)通過功率放大器連接至分流器的輸入端，所述分流器的輸出端連接至所述射頻開關(guān)組件的發(fā)射射頻開關(guān)。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述接收端射頻鏈中，接收機(jī)通過低噪聲放大器連接至組合器的輸出端，所述組合器的輸入端連接至所述射頻開關(guān)組件的接收射頻開關(guān)。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述接收機(jī)的基帶接收信號(hào)系統(tǒng)模型為接收機(jī)接收的信噪比為其中，P_t/K為發(fā)射射頻天線的發(fā)射功率；P_t為發(fā)射機(jī)的總功率；T為發(fā)射射頻天線的集合；K是發(fā)射射頻天線的集合T的基數(shù)；h_j為第j個(gè)發(fā)射射頻天線與接收射頻天線之間的信道系數(shù)，h_j,0≤j≤N都是服從復(fù)高斯分布CN(0,1)的獨(dú)立同分布變量；x為發(fā)射機(jī)的基帶發(fā)送信號(hào)；n～CN(0,σ²)表示接收機(jī)的高斯白噪聲；|∑_j∈Th_j|²為接收機(jī)的信號(hào)功率。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，每一個(gè)發(fā)射射頻天線均以其最大化的發(fā)射功率發(fā)送射頻信號(hào)。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)根據(jù)信道信息控制射頻開關(guān)組件的射頻開關(guān)狀態(tài)以最大化接收信噪比包括以下步驟：

步驟S1，根據(jù)N個(gè)發(fā)射射頻天線的信道系數(shù)，針對(duì)這N個(gè)信道系數(shù)劃N條正交垂線，將N個(gè)發(fā)射射頻天線組成的復(fù)平面分為共2N個(gè)扇區(qū)；

步驟S2，對(duì)每一個(gè)扇區(qū)，確定一個(gè)對(duì)應(yīng)集合V_K；

步驟S3，對(duì)第一個(gè)集合V₁，計(jì)算其中的所有信道系數(shù)之和

步驟S4，對(duì)后面的集合依次計(jì)算其中所有的信道系數(shù)之和

步驟S5，對(duì)所有的f_k，選擇其絕對(duì)值最大的一個(gè)；將絕對(duì)值最大的f_k所對(duì)應(yīng)的集合V_K作為發(fā)射射頻天線的集合T的基數(shù)K；

步驟S6，初始化集合T的元素個(gè)數(shù)K^*＝1，f^*＝max_i|h_i|²，max_i表示對(duì)所有的i找最大值，集合T^*的元素得到絕對(duì)值最大的h_i，其中，i為信道的序號(hào)，f^*為初始化集合T的元素個(gè)數(shù)K^*＝1后的信道系數(shù)之和，h_i為第i個(gè)信道的信道系數(shù)；

步驟S7，從集合T的元素個(gè)數(shù)K＝2至N，直到f/K＞f^*，則f^*＝f/K，K^*＝K，T^*＝T⁰，該公式是為了更新f^*，因?yàn)閒^*總是存最大值；f為信道系數(shù)之和，進(jìn)而得到信道系數(shù)之和的絕對(duì)值大于第一閾值且集合T的基數(shù)K小于第二閾值對(duì)應(yīng)的集合T^*；其中，N為天線總數(shù)目，該天線總數(shù)目與發(fā)射射頻開關(guān)的數(shù)目相對(duì)應(yīng)。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述步驟S1中，繪制了N個(gè)信道系數(shù)h_j(j＝1；2；…；N)的二維復(fù)平面，其水平軸和縱軸分別對(duì)應(yīng)實(shí)部和虛部；然后對(duì)每個(gè)信道系數(shù)h_j繪制其通過原點(diǎn)的正交線，得到2N個(gè)扇區(qū)；所述步驟S2中，若第i個(gè)信道系數(shù)h_i在扇區(qū)k的投影是正數(shù)，則h_i∈V_k；否則

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述步驟S7包括以下子步驟：

步驟S701，初始化θ＝0,f＝0其中，θ為集合中所有復(fù)數(shù)信道和的幅角，f為初始化后的信道系數(shù)之和；

步驟S702，根據(jù)所有信道系數(shù)h_i在θ方向的投影，對(duì)信道系數(shù)h_i進(jìn)行排序，設(shè)排序后的信道系數(shù)為h_πj；

步驟S703，生成兩個(gè)集合T＝{h_π1,h_π2,…,h_πj}和T^C＝{h_πK+1,h_πK+2,…,h_πN}；

步驟S704，當(dāng)θ＜2π，如果那么，T₀＝T；其中，T₀為初始化后的發(fā)射射頻天線的集合；計(jì)算

更新θ為θ+δ；通過該公式計(jì)算一個(gè)微小角度增量，對(duì)應(yīng)集合中一個(gè)信道參數(shù)h_i變?yōu)樾诺绤?shù)h_j，用于把幅角θ更新為新的幅角θ+δ；通過交換信道系數(shù)h_i和信道系數(shù)h_j；更新集合T和集合T^C，直到循環(huán)結(jié)束。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：基于信道狀態(tài)信息，多個(gè)發(fā)射射頻天線中的每一個(gè)被接通或斷開以實(shí)現(xiàn)波束成形，可以顯著減少在傳統(tǒng)模擬波束成形系統(tǒng)中采用的高成本、大功率消耗和體積龐大的模擬移相器，本發(fā)明僅使用簡(jiǎn)單的模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)模擬波束形成增益，所有選擇的射頻天線直接連接到一個(gè)對(duì)應(yīng)的射頻鏈而無需其他射頻鏈或移相器等任何預(yù)處理設(shè)備，本發(fā)明所述開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)的效果是通過選擇一部分的射頻天線來簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)，并且可以實(shí)現(xiàn)完全復(fù)用增益和全部的分集增益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中數(shù)字波束形成開關(guān)的原理示意圖；

圖3是現(xiàn)有技術(shù)中模擬波束形成開關(guān)的原理示意圖；

圖4是現(xiàn)有技術(shù)中天線選擇的原理示意圖；

圖5是本發(fā)明一種實(shí)施例的詳細(xì)系統(tǒng)模型示意圖；

圖6是本發(fā)明一種實(shí)施例中4個(gè)信道系數(shù)將復(fù)平面分成8個(gè)扇區(qū)的原理示意圖；

圖7是本發(fā)明一種實(shí)施例通過增加天線數(shù)量來仿真接收機(jī)的歸一化信噪比的示意圖；

圖8是本發(fā)明一種實(shí)施例通過對(duì)每個(gè)信道實(shí)現(xiàn)的瞬時(shí)速率進(jìn)行平均來獲得接收機(jī)的平均可實(shí)現(xiàn)速率的仿真示意圖；

圖9是本發(fā)明一種實(shí)施例接收機(jī)信噪比小于給定閾值的概率仿真示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的較優(yōu)的實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示，本例提供一種受總功率約束的開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)，包括：發(fā)射端射頻鏈、射頻開關(guān)組件和接收端射頻鏈，所述發(fā)射端射頻鏈與射頻開關(guān)組件的輸入端相連接，所述射頻開關(guān)組件的輸出端與所述接收端射頻鏈相連接；其中，所述射頻開關(guān)組件包括N個(gè)發(fā)射射頻開關(guān)以及N個(gè)與發(fā)射射頻開關(guān)相對(duì)應(yīng)的發(fā)射射頻天線，N為發(fā)射射頻天線的個(gè)數(shù)，N取自然數(shù)；所述射頻開關(guān)組件選擇一個(gè)射頻開關(guān)作為接收射頻開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射射頻開關(guān)與接收射頻開關(guān)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，且所述發(fā)射射頻開關(guān)與接收射頻開關(guān)之間的信道具有高斯分布的獨(dú)立分布變量，所述開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)根據(jù)信道信息控制射頻開關(guān)組件的射頻開關(guān)狀態(tài)以最大化接收信噪比；所述射頻開關(guān)組件的發(fā)射射頻天線的發(fā)射功率由發(fā)射機(jī)的總功率約束，所述發(fā)射機(jī)的總功率均勻分配給射頻開關(guān)組件的所有發(fā)射射頻天線。

如圖1所示，所述N個(gè)發(fā)射射頻開關(guān)的輸入端均與所述發(fā)射端射頻鏈的輸出端相連接，每一個(gè)發(fā)射射頻開關(guān)的輸出端分別連接至一個(gè)與之一一對(duì)應(yīng)的發(fā)射射頻天線；所述射頻開關(guān)組件還包括接收射頻開關(guān)以及與接收射頻開關(guān)相對(duì)應(yīng)的接收射頻天線，所述接收射頻開關(guān)的輸入端連接至與之一一對(duì)應(yīng)的接收射頻天線，所述接收射頻開關(guān)的輸出端均與所述接收端射頻鏈的輸入端相連接。

與傳統(tǒng)的AF結(jié)構(gòu)不同的是，本例提出使用射頻開關(guān)這種簡(jiǎn)單的模擬開關(guān)替換掉笨重而且昂貴的移相器來完成開關(guān)模擬波束形成的實(shí)現(xiàn)，本例稱之為OABF，也就是所述基于前置天線功率約束的開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)簡(jiǎn)稱OABF，即On-off Analog Beamforming。事實(shí)上，市場(chǎng)上的射頻開關(guān)已被廣泛地應(yīng)用于無線收發(fā)器中，并且他們具有非常吸引人的屬性，例如，便宜、體積小和速度快，幾乎不消耗功率，線性帶寬以及高頻率等。特別是，本例跟據(jù)信道信息通過控制射頻天線的開關(guān)狀態(tài)使得接收的SNR最大化，SNR為信噪比。尋找射頻天線的最優(yōu)子集看起來像一個(gè)組合優(yōu)化問題，也就是通常所說的NP-hard(非確定多項(xiàng)式問題)。

值得一提的是，本例利用同時(shí)正交匹配追蹤策略來解決特定的開關(guān)模擬波束形成，看起來其難度隨天線數(shù)量指數(shù)增長(zhǎng)。但是事實(shí)與直覺相反，我們發(fā)現(xiàn)只有線性復(fù)雜性和多項(xiàng)式復(fù)雜性來確定每個(gè)射頻天線的開關(guān)狀態(tài)。更重要的是，本例從理論上證明本例所述開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)(OABF)可以實(shí)現(xiàn)完全復(fù)用增益和全部的分集增益，基于本例所述開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)根據(jù)信道信息控制射頻開關(guān)組件的射頻開關(guān)狀態(tài)以最大化接收信噪比的步驟。所述射頻天線包括了發(fā)射射頻天線和接收射頻天線。

本例所述開關(guān)模擬波束形成與經(jīng)充分研究的子集天線選擇方案基本不同，其中從總共N個(gè)天線中選擇最佳k個(gè)天線。在傳統(tǒng)的天線選擇中，每個(gè)選定的天線由一個(gè)RF鏈(或一個(gè)模擬移位器)連接以實(shí)現(xiàn)相干組合。因此，k通常由可用RF鏈的數(shù)量確定，并且波束形成效應(yīng)來自RF鏈(或移相器)的信號(hào)處理。而在本例所述開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)(OABF)中，所有選擇的射頻天線直接連接到一個(gè)RF鏈而沒有任何預(yù)處理設(shè)備，即沒有經(jīng)過其他RF鏈和移相器等任何預(yù)處理設(shè)備，所述開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)的效果是通過選擇一部分的射頻天線簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)。

OABF的結(jié)構(gòu)介紹如下：為了比較，首先回顧現(xiàn)有技術(shù)中的三個(gè)典型的已有的多天線波束形成的結(jié)構(gòu)、數(shù)字波束形成、相位對(duì)齊的模擬波束形成以及天線選擇。

在當(dāng)今大多數(shù)的無線系統(tǒng)中，完全最優(yōu)波束形成都是在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的，其中每一個(gè)天線后面伴隨一個(gè)射頻鏈?zhǔn)菫榱藢⑵滢D(zhuǎn)化為基帶數(shù)字信號(hào)，不僅是幅度而且信號(hào)的相位也隨數(shù)字域的情況作相應(yīng)的調(diào)整，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示；在具有高頻率和寬的帶寬的通信中，射頻鏈的成本，尤其是價(jià)格和空間成本，比天線高得多。

對(duì)于毫米波通信，天線的尺寸以及天線的增益大大降低了；當(dāng)在低頻系統(tǒng)中要維持天線增益，波束形成方式需要大量的天線來發(fā)送是必不可少的。然而，大量的天線肯定會(huì)顯著增加數(shù)字波束成形系統(tǒng)中射頻鏈的成本。因此，其它的波束形成方案已經(jīng)被提出來節(jié)省射頻鏈，并維持多天線增益。

一個(gè)典型的方案是模擬波束形成，其滿足在模擬域中的波束形成的操作，如圖3所示，在模擬波束形成中，每一個(gè)天線都與一個(gè)模擬移相器相連接，這樣是為了在發(fā)送端被射頻鏈分離后(或者說在接收端結(jié)合之前可以滿足射頻鏈)可以構(gòu)成模擬射頻信號(hào)的波束形成系數(shù)。由于受模擬移相器的約束，通常來說僅僅是每個(gè)天線信號(hào)的相位被控制的。

模擬移相器，尤其是具有寬帶寬和高頻能力的那些移相器，也是非常昂貴和龐大的；更低復(fù)雜度/成本的方案就是天線選擇，選擇時(shí)僅僅將一根天線連接到射頻鏈，如圖4所示，天線選擇方案也可以獲得全分集增益。但是，其陣列增益僅為比全陣列增益要小的多。

在模擬波束形成與天線選擇的比較中，本例使用了信號(hào)經(jīng)過相位對(duì)齊的所有射頻天線，而射頻天線選擇僅僅使用一個(gè)不經(jīng)過任何進(jìn)一步信號(hào)處理的天線。本例中，采用了一種介于天線選擇與模擬波束形成之間新的低復(fù)雜度的開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，選中的發(fā)送信號(hào)的發(fā)射射頻天線子集不需要做任何的射頻信號(hào)處理，而其它的天線都是未連接的，如圖1所示。在本例中，被選擇的射頻天線所對(duì)應(yīng)的射頻開關(guān)始終保持開啟狀態(tài)而其它的則為關(guān)閉狀態(tài)。因此，本例稱其為前置天線功率約束的開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱OABF。

在OABF中，選取N個(gè)發(fā)射射頻天線中具有更好信道條件和相似相位的子集與射頻鏈相連接。如果基數(shù)的子集被限制為1，則OABF退化為如圖3所示的天線選擇方案。另一方面，若開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)的模擬系數(shù)被限制為0或1，則其為本例所述的OABF。

本例等價(jià)于基帶系統(tǒng)模型，在這首先介紹一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)模型和相應(yīng)的符號(hào)。為不失一般性，本例考慮發(fā)射機(jī)有N個(gè)發(fā)射射頻天線，并且在接收機(jī)處具有一個(gè)接收射頻天線的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸系統(tǒng)。擴(kuò)展到多個(gè)接收射頻天線的情況也十分簡(jiǎn)單。我們假定僅有一個(gè)數(shù)據(jù)流，因此每邊有一個(gè)射頻鏈。第j個(gè)發(fā)送天線與接收射頻天線之間的信道表示為h_j，其被發(fā)射機(jī)通過一些反饋方案或信道的互易性完全預(yù)知，因此對(duì)于發(fā)射機(jī)來說完全是已知的。我們進(jìn)一步假設(shè)所有的h_j,0≤j≤N都是服從復(fù)高斯分布CN(0,1)的獨(dú)立同分布變量；信道系數(shù)在一個(gè)分組傳輸期間保持恒定，并且在不同分組傳輸之間獨(dú)立地改變。該通道模型被驗(yàn)證并且被用于其中具有全向天線的便攜式終端以步行速度移動(dòng)的室內(nèi)mm波通信場(chǎng)景。

更詳細(xì)的OABF傳輸結(jié)構(gòu)如圖5所示，本例用P_j表示第j個(gè)天線的發(fā)送功率；在發(fā)射機(jī)處，一些發(fā)射射頻天線形成了集合T，并用來發(fā)送和傳輸。然后，接收機(jī)的基帶接收信號(hào)y為，s.t＝1 if h_i∈T,else I_i＝0。

其中，n～CN(0,σ²)表示接收機(jī)的高斯白噪聲；I_i是指示變量，T為發(fā)射射頻天線的集合，即集合{h₁,h₂…h(huán)_N}；通過經(jīng)驗(yàn)，選擇最佳集合T以優(yōu)化接收SNR是組合優(yōu)化問題，并且具有關(guān)于天線數(shù)量的指數(shù)復(fù)雜度。

如圖5所示，所述發(fā)射端射頻鏈中，發(fā)射機(jī)通過功率放大器連接至分流器的輸入端，所述分流器的輸出端連接至所述射頻開關(guān)組件的發(fā)射射頻開關(guān)；所述接收端射頻鏈中，接收機(jī)通過低噪聲放大器連接至組合器的輸出端，所述組合器的輸入端連接至所述射頻開關(guān)組件的接收射頻開關(guān)。

本例每個(gè)發(fā)射端的天線由發(fā)射機(jī)的總功率約束，即所述發(fā)射機(jī)的總功率均勻分配給射頻開關(guān)組件的所有發(fā)射射頻天線，這意味著本例不需要任何復(fù)雜的可變?cè)鲆婀β史糯笃鳌?/p>

對(duì)于性能比較，本例主要分析了實(shí)現(xiàn)傳輸波束形成的兩種基本漸進(jìn)增益：陣列增益和分集增益。陣列增益指的是在總共N個(gè)發(fā)射射頻天線的情況下，在輸入信噪比SNR上的平均輸出SNR的增加；分集增益指的是在衰落之前平均的誤碼率的平均值的減小比率；含有N個(gè)發(fā)射射頻天線的輸入信噪比關(guān)于平均輸出信噪比的增加被稱為陣列增益，衰落關(guān)于誤碼率P_e的平均衰減率。

我們考慮每個(gè)發(fā)射射頻天線的發(fā)射功率分別由發(fā)射機(jī)的總功率限制的情況，因此，P_t/K為每個(gè)發(fā)射射頻天線的發(fā)射功率。然后，每一個(gè)發(fā)射射頻天線均以其最大化的發(fā)射功率發(fā)送射頻信號(hào)，所述接收機(jī)的基帶接收信號(hào)系統(tǒng)模型為因此，接收機(jī)接收的信噪比為其中，P_t/K為發(fā)射射頻天線的發(fā)射功率；P_t為發(fā)射機(jī)的總功率；T為發(fā)射射頻天線的集合；K是發(fā)射射頻天線的集合T的基數(shù)；h_j為第j個(gè)發(fā)射射頻天線與接收射頻天線之間的信道系數(shù)，h_j,0≤j≤N都是服從復(fù)高斯分布CN(0,1)的獨(dú)立同分布變量；x為發(fā)射機(jī)的基帶發(fā)送信號(hào)；n～CN(0,σ²)表示接收機(jī)的高斯白噪聲；為接收機(jī)的信號(hào)功率。

由公式可以看到，最大化信噪比等價(jià)于最大化|∑_j∈Th_j|²。值得一提的是，本例與每個(gè)發(fā)射射頻天線的發(fā)射功率受發(fā)射機(jī)的單獨(dú)功率約束的情況不同，本例需要找到一個(gè)不僅具有大的信道系數(shù)之和的絕對(duì)值，而且還需要具有小的基數(shù)的集合。

在本例中，先介紹一個(gè)最優(yōu)和線性復(fù)雜性算法OABF，以確定集合以便最大化信噪SNR。之后，本例通過提供次優(yōu)的橋算法來證明OABF的全分集增益和全陣列增益；具體如下所述。

本例所述開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)根據(jù)信道信息控制射頻開關(guān)組件的射頻開關(guān)狀態(tài)以最大化接收信噪比包括以下步驟：

步驟S1，根據(jù)N個(gè)發(fā)射射頻天線的信道系數(shù)，針對(duì)這N個(gè)信道系數(shù)劃N條正交垂線，將N個(gè)發(fā)射射頻天線組成的復(fù)平面分為共2N個(gè)扇區(qū)；

步驟S2，對(duì)每一個(gè)扇區(qū)，確定一個(gè)對(duì)應(yīng)集合V_K；

步驟S3，對(duì)第一個(gè)集合V₁，計(jì)算其中的所有信道系數(shù)之和

步驟S4，對(duì)后面的集合依次計(jì)算其中所有的信道系數(shù)之和

步驟S5，對(duì)所有的f_k，選擇其絕對(duì)值最大的一個(gè)；將絕對(duì)值最大的f_k所對(duì)應(yīng)的集合V_K作為發(fā)射射頻天線的集合T，得到集合T的基數(shù)K；

步驟S6，初始化集合T的元素個(gè)數(shù)K^*＝1，f^*＝max_i|h_i|²，max_i表示對(duì)所有的i找最大值，集合T^*的元素得到絕對(duì)值最大的h_i，其中，i為信道的序號(hào)，f^*為初始化集合T的元素個(gè)數(shù)K^*＝1后的信道系數(shù)之和，h_i為第i個(gè)信道的信道系數(shù)；

步驟S7，從集合T的元素個(gè)數(shù)K＝2至K^S，N，直到f/K＞f^*，則f^*＝f/K，K^*＝K，T^*＝T⁰，f為信道系數(shù)之和，進(jìn)而得到信道系數(shù)之和的絕對(duì)值大于第一閾值且集合T的基數(shù)K小于第二閾值對(duì)應(yīng)的集合T^*；其中，N為天線總數(shù)目該天線總數(shù)目與發(fā)射射頻開關(guān)的數(shù)目相對(duì)應(yīng)。

如圖6所示，本例所述步驟S1中，繪制了N個(gè)信道系數(shù)h_j(j＝1；2；…；N)的二維復(fù)平面，其水平軸和縱軸分別對(duì)應(yīng)實(shí)部和虛部；然后對(duì)每個(gè)信道系數(shù)h_j繪制其通過原點(diǎn)的正交線，得到2N個(gè)扇區(qū)。本例所述步驟S2中，若第i個(gè)信道系數(shù)h_i在扇區(qū)k的投影是正數(shù)，則h_i∈V_k；否則

本例所述步驟S7包括以下子步驟：

步驟S701，初始化θ＝0,f＝0其中，θ為集合中所有復(fù)數(shù)信道和的幅角，f為初始化后的信道系數(shù)之和；

步驟S702，根據(jù)所有信道系數(shù)h_i在θ方向的投影，對(duì)信道系數(shù)h_i進(jìn)行排序，設(shè)排序后的信道系數(shù)為h_πj；

步驟S703，生成兩個(gè)集合T＝{h_π1,h_π2,…,h_πj}和T^C＝{h_πK+1,h_πK+2,…,h_πN}；

步驟S704，當(dāng)θ＜2π，如果那么，T₀＝T；其中，T₀為初始化后的發(fā)射射頻天線的集合；計(jì)算更新θ為θ+δ；通過該公式計(jì)算一個(gè)微小角度增量，對(duì)應(yīng)集合中一個(gè)信道參數(shù)h_i變?yōu)樾诺老禂?shù)h_j，用于把幅角θ更新為新的幅角θ+δ；通過交換信道系數(shù)h_i和信道系數(shù)h_j；更新集合T和集合T^C，直到循環(huán)結(jié)束。

接下來，本例提出一些仿真數(shù)值結(jié)果來顯示所提出的開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)的性能。在仿真中，在發(fā)射機(jī)的總功率約束P_t＝1下呈現(xiàn)數(shù)值結(jié)果。為了一致性的目的，在使用移相器的假設(shè)下，本例仍然將等增益方案稱為現(xiàn)有技術(shù)的最佳方案。

如圖7所示，仿真結(jié)果給出相對(duì)于天線數(shù)量的接收SNR；本例所述開關(guān)模塊波束成形系統(tǒng)(OABF)可以在每個(gè)發(fā)射射頻天線在發(fā)射機(jī)總功率約束下實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有技術(shù)中最佳方案更好的SNR。圖7中，縱坐標(biāo)的指的是Normalized Received SNR指的是歸一化信噪比；橫坐標(biāo)的Number of Antennas指的是復(fù)數(shù)形式的數(shù)量，用于代表著天線數(shù)目增加；OABF指的是本例所述開關(guān)模塊波束成形系統(tǒng)(OABF)；Optimal Scheme指的是現(xiàn)有技術(shù)中最佳方案；Antenna Selection指的是天線選擇。

如圖8所示，仿真結(jié)果給出相應(yīng)的可實(shí)現(xiàn)速率，由圖8可以看到，本例所述開關(guān)模塊波束成形系統(tǒng)(OABF)和現(xiàn)有技術(shù)中最佳方案之間的速率差距小于1.5比特，這大約是每個(gè)發(fā)射射頻天線功率約束下的差距的一半。圖8中，縱坐標(biāo)的Achievable Rate指的是可達(dá)率；橫坐標(biāo)的Number of Antennas指的是復(fù)數(shù)形式的數(shù)量，用于代表著天線數(shù)目增加；OABF指的是本例所述開關(guān)模塊波束成形系統(tǒng)(OABF)；Optimal Scheme指的是現(xiàn)有技術(shù)中最佳方案；Antenna Selection指的是天線選擇。

如圖9所示，仿真結(jié)構(gòu)繪制現(xiàn)有技術(shù)中最佳方案和所述開關(guān)模塊波束成形系統(tǒng)(OABF)的中斷概率，正如圖9所看到的，兩種方案都可以實(shí)現(xiàn)N的全分集階數(shù)。對(duì)于N＝3，兩種方案之間的間隙約為1dB，這遠(yuǎn)小于每個(gè)發(fā)射射頻天線功率約束的情況。圖9中，縱坐標(biāo)的Outage Pribability指的是中斷概率；橫坐標(biāo)的SNR(dB)指的是信噪比；OABF，N＝1指的是所述開關(guān)模塊波束成形系統(tǒng)(OABF)在發(fā)射射頻天線個(gè)數(shù)N＝1時(shí)的中斷概率仿真曲線；Optimal Scheme，N＝1指的是最優(yōu)方案在發(fā)射射頻天線個(gè)數(shù)N＝1時(shí)的中斷概率仿真曲線；同理，OABF，N＝2指的是所述開關(guān)模塊波束成形系統(tǒng)(OABF)在發(fā)射射頻天線個(gè)數(shù)N＝2時(shí)的中斷概率仿真曲線；Optimal Scheme，N＝2指的是最優(yōu)方案在發(fā)射射頻天線個(gè)數(shù)N＝2時(shí)的中斷概率仿真曲線；OABF，N＝3指的是所述開關(guān)模塊波束成形系統(tǒng)(OABF)在發(fā)射射頻天線個(gè)數(shù)N＝3時(shí)的中斷概率仿真曲線；Optimal Scheme，N＝3指的是最優(yōu)方案在發(fā)射射頻天線個(gè)數(shù)N＝3時(shí)的中斷概率仿真曲線。

也就是說，本例提出了一種新的開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)，即開-關(guān)模擬波束成形(OABF)，其僅使用簡(jiǎn)單的模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)波束成形增益。為了確定具有給定信道信息的每個(gè)交換機(jī)的狀態(tài)，本例提出了一種比現(xiàn)有技術(shù)的最佳方案更優(yōu)的算法，即所述開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)根據(jù)信道信息控制射頻開關(guān)組件的射頻開關(guān)狀態(tài)以最大化接收信噪比的步驟，以分別在每個(gè)發(fā)射射頻天線由單獨(dú)功率約束下最大化接收SNR。利用多項(xiàng)式復(fù)雜性，本例所述開關(guān)模塊波束成形系統(tǒng)(OABF)可以實(shí)現(xiàn)全分集增益和全陣列增益。更具體地，無論射頻天線的數(shù)量和SNR如何，最佳方案(等增益波束成形)和本例所述開關(guān)模塊波束成形系統(tǒng)(OABF)之間的可實(shí)現(xiàn)速率間隙是3.3比特/符號(hào)的常數(shù)。

本例所述開關(guān)模擬波束形成系統(tǒng)與其他模擬波束形成方案不兼容，以構(gòu)成新的混合體系結(jié)構(gòu)。其他波束成形系統(tǒng)，如雷達(dá)，也可以采用本例所述開關(guān)模塊波束成形系統(tǒng)(OABF)以降低系統(tǒng)成本。

綜上，本例基于信道狀態(tài)信息，多個(gè)發(fā)射射頻天線中的每一個(gè)被接通或斷開以實(shí)現(xiàn)波束成形，可以顯著減少在傳統(tǒng)模擬波束成形系統(tǒng)中采用的高成本、大功率消耗和體積龐大的模擬移相器，本發(fā)明僅使用簡(jiǎn)單的模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)模擬波束形成增益，所有選擇的射頻天線直接連接到一個(gè)對(duì)應(yīng)的射頻鏈而無需其他射頻鏈或移相器等任何預(yù)處理設(shè)備，本發(fā)明所述開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)的效果是通過選擇一部分的射頻天線來簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)，并且可以實(shí)現(xiàn)完全復(fù)用增益和全部的分集增益。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。