本發(fā)明涉及一種模擬波束成形系統(tǒng)，尤其涉及一種受獨立功率約束的開關(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。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，因為每個天線均與一個昂貴的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，但是在設(shè)計RF硬件時，特別是對于毫米波(mm-wave)載波信號，完成模擬波束形成會遇到巨大的挑戰(zhàn)和可靠性問題?，F(xiàn)有技術(shù)中也有人提出了一些簡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實現(xiàn)的。與移相器一樣，具有可變增益的射頻功率放大器也十分必要，這也是使得在實現(xiàn)模擬波束形成時仍具有挑戰(zhàn)性和昂貴的。

技術(shù)實現(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獨立功率約束的的開關(guān)模擬波束成形系統(tǒng)。

對此，本發(fā)明提供一種受獨立功率約束的開關(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個發(fā)射射頻開關(guān)以及N個與發(fā)射射頻開關(guān)相對應(yīng)的發(fā)射射頻天線，N為發(fā)射射頻天線的個數(shù)，N取自然數(shù)；所述射頻開關(guān)組件選擇一個射頻開關(guān)作為接收射頻開關(guān)，以實現(xiàn)發(fā)射射頻開關(guān)與接收射頻開關(guān)之間的點對點傳輸，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)組件的每一個發(fā)射射頻天線的發(fā)射功率由發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率單獨約束。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述N個發(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，每一個發(fā)射射頻開關(guān)的輸出端分別連接至一個與之一一對應(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)的基帶接收信號系統(tǒng)模型為接收機(jī)接收的信噪比為其中，P_o為發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率；h_j為第j個發(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)的獨立同分布變量；x為發(fā)射機(jī)的基帶發(fā)送信號；n～CN(0,σ²)表示接收機(jī)的高斯白噪聲；T為發(fā)射射頻天線的集合；|∑_j∈Th_j|²為接收機(jī)的信號功率。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，每一個發(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。

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個發(fā)射射頻天線的信道系數(shù)，針對這N個信道系數(shù)劃N條正交垂線，將N個發(fā)射射頻天線組成的復(fù)平面分為共2N個扇區(qū)；

步驟S2，對每一個扇區(qū)，確定一個對應(yīng)集合V_K；

步驟S3，對第一個集合V₁，計算其中的所有信道系數(shù)之和

步驟S4，對后面的集合依次計算其中所有的信道系數(shù)之和

k(k＝2,…,2N)；

步驟S5，對所有的f_k，選擇其絕對值最大的一個；將絕對值最大的f_k所對應(yīng)的集合V_K作為發(fā)射射頻天線的集合T。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述步驟S2中，若第i個信道系數(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S1中，繪制了N個信道系數(shù)h_j(j＝1；2；…；N)的二維復(fù)平面，其水平軸和縱軸分別對應(yīng)實部和虛部；然后對每個信道系數(shù)h_j繪制其通過原點的正交線，得到2N個扇區(qū)。

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，多個發(fā)射射頻天線中的每一個被接通或斷開以實現(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)明僅使用簡單的模擬開關(guān)來實現(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對應(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單地實現(xiàn)，并且可以實現(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)明一種實施例的詳細(xì)系統(tǒng)模型示意圖；

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

圖7是本發(fā)明一種實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)明一種實施例通過對每個信道實現(xiàn)的瞬時速率進(jìn)行平均來獲得接收機(jī)的平均可實現(xiàn)速率的仿真示意圖；

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

具體實施方式

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

如圖1所示，本例提供一種受獨立功率約束的開關(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個發(fā)射射頻開關(guān)以及N個與發(fā)射射頻開關(guān)相對應(yīng)的發(fā)射射頻天線，N為發(fā)射射頻天線的個數(shù)，N取自然數(shù)；所述射頻開關(guān)組件選擇一個射頻開關(guān)作為接收射頻開關(guān)，以實現(xiàn)發(fā)射射頻開關(guān)與接收射頻開關(guān)之間的點對點傳輸，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)組件的每一個發(fā)射射頻天線的發(fā)射功率由發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率單獨約束。

如圖1所示，所述N個發(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，每一個發(fā)射射頻開關(guān)的輸出端分別連接至一個與之一一對應(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)簡稱OABF，即On-off Analog Beamforming。事實上，市場上的射頻開關(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)子集看起來像一個組合優(yōu)化問題，也就是通常所說的NP-hard(非確定多項式問題)。

值得一提的是，本例利用同時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。但是事實與直覺相反，我們發(fā)現(xiàn)只有線性復(fù)雜性和多項式復(fù)雜性來確定每個射頻天線的開關(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個天線中選擇最佳k個天線。在傳統(tǒng)的天線選擇中，每個選定的天線由一個RF鏈(或一個模擬移位器)連接以實現(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單地實現(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，其中每一個天線后面伴隨一個射頻鏈?zhǔn)菫榱藢⑵滢D(zhuǎn)化為基帶數(shù)字信號，不僅是幅度而且信號的相位也隨數(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，尤其是價格和空間成本，比天線高得多。

對于毫米波通信，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，每一個天線都與一個模擬移相器相連接，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天線信號的相位被控制的。

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，本例使用了信號經(jīng)過相位對齊的所有射頻天線，而射頻天線選擇僅僅使用一個不經(jīng)過任何進(jìn)一步信號處理的天線。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)送信號的發(fā)射射頻天線子集不需要做任何的射頻信號處理，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)，簡稱OABF。

在OABF中，選取N個發(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。

本例等價于基帶系統(tǒng)模型，在這首先介紹一個簡單的系統(tǒng)模型和相應(yīng)的符號。為不失一般性，本例考慮發(fā)射機(jī)有N個發(fā)射射頻天線，并且在接收機(jī)處具有一個接收射頻天線的點對點傳輸系統(tǒng)。擴(kuò)展到多個接收射頻天線的情況也十分簡單。我們假定僅有一個數(shù)據(jù)流，因此每邊有一個射頻鏈。第j個發(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)的獨立同分布變量；信道系數(shù)在一個分組傳輸期間保持恒定，并且在不同分組傳輸之間獨立地改變。該通道模型被驗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的室內(nèi)mm波通信場景。

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y為，s.t＝1if 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，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)。

本例每個發(fā)射端的天線有獨立的功率約束，即每個發(fā)射射頻天線的發(fā)射功率由發(fā)射機(jī)的單獨功率約束i.e.，P_j≤P_o，該公式中，表示的是對每一個發(fā)射射頻天線j，其發(fā)射功率小于給定的最大功率Po；對于性能比較，本例主要分析了實現(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。

我們考慮每個發(fā)射射頻天線的發(fā)射功率分別由發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率P_o限制的情況，并且對總發(fā)射功率沒有任何約束。該假設(shè)是由實際實現(xiàn)的發(fā)射機(jī)中的每個天線由分離的功率放大器驅(qū)動的情況導(dǎo)致的，該功率放大器僅在其發(fā)射功率低于預(yù)設(shè)閾值時才正常工作。在當(dāng)前的模擬波束成形系統(tǒng)中，分離的發(fā)射功率約束有時比和功率約束更相關(guān)。

然后，每一個發(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，所述接收機(jī)的基帶接收信號系統(tǒng)模型為因此，接收機(jī)接收的信噪比為其中，P_o為發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率；h_j為第j個發(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)的獨立同分布變量；x為發(fā)射機(jī)的基帶發(fā)送信號；n～CN(0,σ²)表示接收機(jī)的高斯白噪聲；T為發(fā)射射頻天線的集合；|∑_j∈Th_j|²為接收機(jī)的信號功率。

在本例中，先介紹一個最優(yōu)和線性復(fù)雜性算法OABF-s，以確定集T以便最大化信噪SNR。之后，我們通過提供次優(yōu)的橋算法來證明OABF-s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個發(fā)射射頻天線的信道系數(shù)，針對這N個信道系數(shù)劃N條正交垂線，將N個發(fā)射射頻天線組成的復(fù)平面分為共2N個扇區(qū)；

步驟S2，對每一個扇區(qū)k，確定一個對應(yīng)集合V_k，h_i∈V_k表示的是如果h_i在扇區(qū)k的投影是正數(shù)；

步驟S3，對第一個集合V₁，計算其中的所有信道系數(shù)之和

步驟S4，對后面的集合依次計算其中所有的信道系數(shù)之和

k(k＝2,…,2N)；

步驟S5，對所有的f_k，選擇其絕對值最大的一個；將絕對值最大的f_k所對應(yīng)的集合V_K作為發(fā)射射頻天線的集合T。

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

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，接收機(jī)側(cè)的噪聲方差被歸一化為單位1。利用每個發(fā)射射頻天線的發(fā)射功率由發(fā)射機(jī)的單獨功率約束，每個發(fā)射射頻天線的發(fā)射功率被設(shè)置為固定值P_o。每個信道系數(shù)是隨機(jī)生成的復(fù)雜高斯分布n～CN(0,1)。為了一致性的目的，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，Benin通過增加天線數(shù)量來仿真接收機(jī)處的歸一化信噪比SNR，其被定義為接收除以發(fā)射功率P_o|T|，以便示出不同方案的陣列增益。由圖7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)的最佳方案的歸一化SNR隨天線數(shù)量線性增加，即獲得全陣列增益；另一方面，天線選擇方案的歸一化SNR以對數(shù)的方式增加。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)的最佳方案；Antenna Selection指的是天線選擇。

如圖8所示，通過對每個信道實現(xiàn)的瞬時速率進(jìn)行平均來獲得接收機(jī)處的平均可實現(xiàn)速率；可以看到，所有三個方案的速率隨著天線數(shù)目增加而增加，而本例所述開關(guān)模塊波束成形系統(tǒng)(OABF)和現(xiàn)有技術(shù)的最佳方案之間的間隙有常數(shù)上限。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)的最佳方案；Antenna Selection指的是天線選擇。

如圖9所示，仿真出了中斷概率，即精確接收SNR小于給定閾值的概率；圖9中可以清楚地看到天線數(shù)目分別為N＝1,2,3時的1,2,3的分集階數(shù)。當(dāng)N＝1時，本例所述開關(guān)模塊波束成形系統(tǒng)(OABF)和最優(yōu)方案具有相同的性能；當(dāng)N＝2時，有一個約2.5dB的間隙，當(dāng)N＝3時，該間隙增加到4dB。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)射射頻天線個數(shù)N＝1時的中斷概率仿真曲線；Optimal Scheme，N＝1指的是現(xiàn)有技術(shù)的最佳方案在發(fā)射射頻天線個數(shù)N＝1時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)射射頻天線個數(shù)N＝2時的中斷概率仿真曲線；Optimal Scheme，N＝2指的是現(xiàn)有技術(shù)的最佳方案在發(fā)射射頻天線個數(shù)N＝2時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)射射頻天線個數(shù)N＝3時的中斷概率仿真曲線；Optimal Scheme，N＝3指的是現(xiàn)有技術(shù)的最佳方案在發(fā)射射頻天線個數(shù)N＝3時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)，其僅使用簡單的模擬開關(guān)來實現(xiàn)波束成形增益。為了確定具有給定信道信息的每個交換機(jī)的狀態(tài)，本例提出了一種最佳算法，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，以分別在每個發(fā)射射頻天線由單獨功率約束下最大化接收SNR。利用多項式復(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)之間的可實現(xiàn)速率間隙是3.3比特/符號的常數(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，多個發(fā)射射頻天線中的每一個被接通或斷開以實現(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)明僅使用簡單的模擬開關(guān)來實現(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對應(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單地實現(xiàn)，并且可以實現(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)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(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。