本发明涉及通信，特别涉及一种采用组合移相器的平行动态子阵列架构及基于平行动态子阵列的毫米波大规模阵列波束成形方法。
背景技术：
1、传统的毫米波大规模多输入输出系统采用半波长间距的均匀阵列，其通过增加天线个数来获取高分辨率波束，然而配置大量的天线会导致系统更加复杂。
2、具体地，目前的毫米波多输入输出系统主要存在两种波束成形(预编码)方案：自适应波束成形和基于码本的波束成形方案。
3、自适应波束成形技术：在时分双工模式中，基站根据接收到的信号估计出上行信道信息，并根据上下行信道互易性计算出下行信道信息。最终基站根据获取的下行信道信息获取预编码矩阵。然而，对于频分双工模式中，上下行信道处于不同频率，信道增益和相位滞后均不相同，因此需要在用户端估计出下行信道，并反馈给基站，从而获取最终的预编码矩阵。
4、基于码本方案：该方案设计一套码本，码本中包含多个码字，每个码字对应于一个物理方向。系统通过发送导频的方式对码本进行波束训练，最终接收端根据获取的导频信息匹配出适应当前信道环境的最优码字。
5、常见的自适应波束成形方案性能卓越，但随着大规模天线阵列的配置，实时并准确获取信道状态信息在实际系统尤其是移动环境中难以实现，且会产生很高的信道估计(信道反馈)开销。为此，基于码本的波束成形正成为业界的一个有前途的备选方案。
6、另一方面，对于基于码本的波束成形方案，相关工作中提出平行互质阵列(parallel co-prime array，pca)，该阵列由两个互质的阵列组成，以产生高分辨率的波束。然而，并行的互质阵列会产生较高的光栅瓣，从而在系统中导致更大的用户干扰。此外，也有工作提出了一种的并行双upa(parallel uniform plane array，pupa)架构，并设计了相应的码本。pupa由两个upa是对齐并行的组成，其可以抑制不期望的波束，提高期望主瓣的增益。然而，相对于pca，pupa需要配置更多的天线，才能保证相同的波束分辨率，最终却导致相当的系统复杂度问题。
技术实现思路
1、本发明的主要目的在于针对毫米波多输入多输出通信系统提出一种产生高分辨率低栅瓣波束的采用组合移相器的平行动态子阵列架构及基于平行动态子阵列的毫米波大规模阵列波束成形方法。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种采用组合移相器的平行动态子阵列架构，其特征在于，所述平行动态子阵列架构的基站端配备一个由两个平行的upa组成的pupa同时为k个单天线用户提供服务，每个upa阵列有n＝nx×nz根天线，其中nx和nz分别为沿x轴和z轴的天线个数，基站同时服务的用户数受射频链路数量nrf的限制，k≤nrf，每个射频链路通过一个高分辨率移相器和2n个低分辨率移相器连接，所述高分辨率移相器和低分辨率移相器由2n+1开关控制，两个upa中激活的移相器数量分别为和其约束条件为
3、基站上的混合波束形成器包括基带上的数字波束形成器：nrf×k维矩阵fbb，和射频域的模拟波束形成器：2n×nrf维矩阵frf，fk是2n×1维矩阵，fk为射频链路k对应的模拟波束成形向量，k＝1，…，k；
4、所述平行动态子阵列架构通过设置||frffbb||2＝k来归一化混合波束成形器的功率增益。
5、为实现上述目的，本发明还提出一种基于平行动态子阵列的毫米波大规模阵列波束成形方法，所述方法应用于如上所述的采用组合移相器的平行动态子阵列架构，所述方法包括以下步骤：
6、基站端发送训练信号s到k个用户，通过训练获得波束向量fk，基站端可以得到其与用户k之间的有效信道。
7、本发明进一步地技术方案是，所述基站端发送训练信号s到k个用户，通过训练获得波束向量fk，基站端可以得到其与用户k之间的有效信道的步骤包括：
8、所述基站端发送训练信号s到k个用户，其中sk＝[0，...，sk，...0]t表示发送到用户k的符号向量，(.)t是向量转置。此外pk表示功率且对所有用户相等，则用户k接收到信号表示为
9、
10、其中，是高斯噪声，均值为0，方差为hk表示基站到用户k之间的信道信息，(.)h表示对矩阵求共轭，su表示用户u发送的符号；
11、假设一个具有lk独立传播路径的几何信道模型，基站到用户k之间的信道向量hk可以定义为：
12、
13、其中αkl、θkl、φkl分别定义为第l条路径的增益、俯仰角、方位角；由于毫米波频段造成的显著路径损耗，发射天线数2n远高于可分辨路径数lk，即2n＞＞lk；函数表示天线阵列导向矢量，且a(θ，φ)是一个upa的导向矢量可表示为：
14、
15、其中，d表示天线之间的间距，dy表示两个upa之间的间距，λ是波长，n＝nx×nz表示一个upa中天线个数，e是自然对数底数，j是虚数单位，(.)t是向量转置；
16、通过波束训练获得波束向量fk，基站端得到其与用户k之间的有效信道为采用迫零预编码时，数字基带预编码器为其中是所有用户的有效信道的组合；然后，用户k处信干噪比表示为：
17、
18、pk和pu分别表示服务于用户k和u的发送功率，表示基站到用户k之间的信道信息hk的共轭，frf表示模拟预编码，[fbb]：，k表示数字预编码fbb的第k列向量，表示高斯噪声的方差。和速率表示为：
19、
20、其中，k为总用户个数，sinrk为用户k对应的信干噪比，log2(.)表示以2为底取对数。
21、本发明进一步地技术方案是，所述基站端发送训练信号s到k个用户，通过训练获得波束向量fk，基站端可以得到其与用户k之间的有效信道之前包括：
22、利用穷举搜索找到最佳的移相器选择策略t，采用布谷鸟搜索算法获得移相器的相位分布。
23、本发明进一步地技术方案是，所述利用穷举搜索找到最佳的移相器选择策略t，采用布谷鸟搜索算法获得移相器的相位分布的步骤包括：
24、通过穷举搜索获取移相器选择策略t；
25、通过全局搜索机制更新相位；
26、通过局部搜索机制更新相位；
27、获取最终的相位分布信息；
28、输出码字。
29、本发明进一步地技术方案是，在考虑组合移相器架构时，码本中方向(θp，φq)所对应的码字f(θp，φq)由高分辨率部分fh和低分辨率部分fl组成：
30、f(θp，φq)＝fl(θp，φq)+fh(θp，φq)，
31、其中，表示码字的低分辨率部分，其中表示第i个低分辨率移相器的相位，n表示一个upa中的天线个数，nrf表示射频链个数，e是自然对数底数，j是虚数单位，(.)t是向量转置。表示码本的高分辨率部分，其中表示高移相器相位，e是自然对数底数，j是虚数单位，(.)t是向量转置。其中，b∈{kl，kh}，和分别为满足分辨率为kh硬件限制的移相器相位集合，分辨率为kl硬件限制的移相器相位集合。
32、本发明进一步地技术方案是，为了表达移相器选择策略，t定义为激活移相器状态表示为：
33、t＝diag(t1，t2，…，t2n)，ti＝0or 1，i＝1,2，…，2n，
34、其中，ti＝0表示移相器未激活，反之为移相器激活，diag(.)表示对角元素，基于码字f(θp，φq)和矩阵t，采用90×180维矩阵g表示离散的波束增益分布：
35、
36、i＝1，2，…，90，j＝1，2，…，180，
37、其中表示pupa阵列的导向适量，(.)h表示共轭，对于矩阵g，挑选出所有满足g[i，j]＞g[i±1，j±1]条件的波束峰值，即所有波瓣的增益，我们定义这些峰值集合为{g1，g2，...，gm}，其中所有的峰值降序排序，即gm-1≥gm，m＝1，...，m，第m个峰值gm在矩阵g中的索引为[im，jm]；
38、最大栅瓣增益与目标方向增益之比η(θp，φq)表示为
39、
40、其中表示最大波峰g1对应的方向逼近于(θp，φq)，δθ(δφ)是方向角预定义的方向边缘误差，即[ip，jq]定义为目标方向(θp，φq)在矩阵g中的索引；g1的精度由δθ和δφ给出。当最大峰值的方向远离目标方向(θp，φq)，目标方向增益为g[ip，jq]，最大栅瓣增益为g1。
41、本发明进一步地技术方案是，所述利用穷举搜索找到最佳的移相器选择策略t，采用布谷鸟搜索算法获得移相器的相位分布的步骤包括：
42、步骤s1，对于移相器选择策略问题，构建单移相器结构并使用导向矢量作为波束成形向量，停用高分辨率移相器，h＝0。因此，目标方向的主瓣增益g1，即采用穷举搜索方法获取最优的激活策略t使最大栅瓣值g2最小；
43、步骤s2，是nn×(nt+1)维矩阵，表示解的随机初始值，表示两个upa中激活移相器的总个数，首先采用全局搜索机制更新解：
44、
45、m＝1，...，nn，n＝1，...，nt+1，γg步长比例因子，ωt是nn×1维矩阵，[ωt]m表示第t次迭代中第m个解的惯性权重，st是nn×(nt+1)维矩阵，[st]m，n表示第t次迭代中第m个解的随机步长；
46、其中，第t次迭代第m个解的惯性权重是[ωt]m，该值取决于历史迭代中目标函数值等于t-1次迭代目标函数值相等的次数
47、
48、其中exp(.)表示e(.)，e是自然对数底数，表示t-1次迭代nn个目标函数值，(.)t是向量转置，是nn个目标值的均值，∑(.)表示求和，ρ是步长指数；
49、使用矩阵st作为t次迭代中的随机步长，其元素遵循莱维飞行机制：
50、
51、其中，β是莱维飞行的分布因子，符合标准正态分布，σv＝1，γ(.)是伽马函数；
52、步骤s3，对全局搜索机制得到的解进行更新，其中全局搜索机制得到的解限制在[-π，π]，
53、
54、相关的目标函数为进一步，与t-1次迭代中局部搜索后目标函数值相比，并选取较优解：
55、
56、步骤4：进一步，算法进行局部搜索机制：
57、
58、其中，表示内积，为nn×(nt+1)维矩阵，其元素在[0,1]范围内随机选取；m1，m2是nn维向量，是heaviside函数：
59、
60、m＝1，...，nn，n＝1，...，nt+1，在局部随机探索机制中，只对解的随机pa部分进行了更新，从而促进了算法的收敛；
61、步骤s5，重复步骤s3，获取相应的和
62、步骤s6，重复步骤s2至步骤s5，直到迭代次数大于预定义的最大迭代次数；
63、步骤s7，获取其中，index[.]表示索引符号；
64、步骤s8，通过取近似最优的方式选择满足硬件限制的相位：
65、
66、其中|.|表示求绝对值，[.]n表示向量的第n个元素，是满足分辨率为kh硬件限制的移相器相位集合，是满足分辨率为kl硬件限制的移相器相位集合；
67、步骤9，获取最终的码字f(θp，φq)，f(θp，φq)中对应于第n个激活移相器的元素为
68、本发明采用组合移相器的平行动态子阵列架构及基于平行动态子阵列的毫米波大规模阵列波束成形方法的有益效果是：
69、本发明在保持高分辨率主瓣的同时能实现灵活的子阵列布局，采用组合式移相器架构能克服模拟预编码恒定幅值的硬件限制，采用穷举搜索方案获取移相器激活策略，并采用布谷鸟搜索算法搜索相位分布，从而获得最终码字，可在低复杂架构的基础上，实现高分辨低栅瓣的波束。
1.一种采用组合移相器的平行动态子阵列架构，其特征在于，所述平行动态子阵列架构的基站端配备一个由两个平行的upa组成的pupa同时为k个单天线用户提供服务，每个upa阵列有n＝nx×nz根天线，其中nx和nz分别为沿x轴和z轴的天线个数，基站同时服务的用户数受射频链路数量nrf的限制，k≤nrf，每个射频链路通过一个高分辨率移相器和2n个低分辨率移相器连接，所述高分辨率移相器和低分辨率移相器由2n+1开关控制，两个upa中激活的移相器数量分别为和其约束条件为
2.一种基于平行动态子阵列的毫米波大规模阵列波束成形方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1所述的采用组合移相器的平行动态子阵列架构，所述方法包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的基于平行动态子阵列的毫米波大规模阵列波束成形方法，其特征在于，所述基站端发送训练信号s到k个用户，通过训练获得波束向量fk，基站端可以得到其与用户k之间的有效信道的步骤包括：
4.根据权利要求3所述的基于平行动态子阵列的毫米波大规模阵列波束成形方法，其特征在于，所述基站端发送训练信号s到k个用户，通过训练获得波束向量fk，基站端可以得到其与用户k之间的有效信道之前包括：
5.根据权利要求4所述的基于平行动态子阵列的毫米波大规模阵列波束成形方法，其特征在于，所述利用穷举搜索找到最佳的移相器选择策略t，采用布谷鸟搜索算法获得移相器的相位分布的步骤包括：
6.根据权利要求5所述的基于平行动态子阵列的毫米波大规模阵列波束成形方法，其特征在于，在考虑组合移相器架构时，码本中方向(θp，φq)所对应的码字f(θp，φq)由高分辨率部分fh和低分辨率部分fl组成：
7.根据权利要求6所述的基于平行动态子阵列的毫米波大规模阵列波束成形方法，其特征在于，为了表达移相器选择策略，t定义为激活移相器状态表示为：
8.根据权利要求7所述的基于平行动态子阵列的毫米波大规模阵列波束成形方法，其特征在于，所述利用穷举搜索找到最佳的移相器选择策略t，采用布谷鸟搜索算法获得移相器的相位分布的步骤包括：
