本发明涉及太赫兹通信，尤其涉及一种太赫兹多层时延器结构及混合预编码设计方法。
背景技术：
1、太赫兹(0。1～10thz)通信由于其超宽带宽和超高传输速率等优点，是未来6g无线通信发展的必然趋势。太赫兹信号较短的波长使基站可以在有限物理尺寸内部署大量天线，形成高增益方向性波束，有效提高了接收信号强度。但是，传统全数字波束形成技术需要每根天线连接一条射频(radio frequency，rf)链，大阵列天线部署将导致巨大能耗和硬件成本。为此，研究者提出基于高维模拟预编码和低维数字预编码的混合模拟/数字预编码技术，它通过移相器(phase shifter，ps)使大阵列天线连接到少量射频链，有效降低了射频链数目和硬件成本。混合预编码结构又可以分为全连接和子连接结构，子连接结构简单，并且能效较高，但与全连接结构相比，可能会有一定速率损失。在窄带单载波系统中，通过优化模拟/数字预编码可以获得渐近最优的系统性能。但是，由于移相器的频率无关特性，在宽带太赫兹系统中，大阵列天线产生的多载波波束将会在不同载波朝向不同方向，即波束色散现象，导致阵列在整个带宽上出现严重的增益损失。
2、目前，已有工作研究了如何克服宽带太赫兹通信中波束色散问题。最直接方法是采用频率相关的时延器(time delay，td)取代所有移相器，但这需要大量时延器，将导致较大功耗和硬件成本。因此，研究者提出在射频链和移相器之间插入有限数量时延器，通过联合控制移相器相移和时延器延时使多载波波束指向目标。最初，文献[zhai b,tang a,pengc,etal.ss-ofdma:spatial-spread orthogonal frequency division multiple accessfor terahertz networks[j].ieee journal on selected areas in communications,2021,39(6):1678-1692.]设计了一种基于串行时延器的天线结构，但时延器数量与天线数量相同，其硬件复杂度较高。为此，文献[gao f f,wang b l,xing c w,et al.widebandbeamforming for hybrid massive mimo terahertz communications[j].ieee journalon selected areas in communications,2021,39(6):1725-1740.]提出基于虚拟子阵列和基于时延器的低复杂度混合波束形成方案，前者将整个天线阵列划分为几个虚拟子阵列形成波束，后者在传统架构中引入时延器形成指向目标方向的波束，但前者性能低于后者。文献[tan j b,dai l l.delay-phase precoding for thz massive mimo with beamsplit[c]//2019ieee global communications conference(globecom).hawaii:ieee,2019:1-6.]提出了基于时延器的延迟相位预编码(delay-phase precoding，dpp)技术，通过设计时延网络的时延使得在整个带宽上产生与目标方向对齐的多载波波束。然而，上述两个文献中的时延器采用并行级联结构，需要对每个时延器单独配置，而且时延器必须支持大延迟范围。为此，文献[boljanovic v,yan h,lin c c,et al.fast beam trainingwith true-time-delay arrays in wideband mllimeter-wave systems[j].ieeetransactions on circuits and systems.i,regular papers,2021,68(4):1727-1739.]提出一种基于模拟/数字时延器的混合时延器架构，减少了所需的时延范围。而后，文献[yan l,han c,yuan j.energy-efficient dynamic-subarray with fixed true-time-delay design for terahertz wideband hybrid beamforming[j].ieee journal onselected areas in communications,2022,40(10):2840-2854.]提出一种基于固定时延器的动态子阵列(dynamic subarray with fixed true time delay，ds-fttd)结构，与现有复杂可调的时延器相比，ds-fttd结构具有更低的功耗和硬件复杂度。然而，这种方案对系统性能的提升有限，同时上述所有工作均假设时延器可以提供无限分辨率的时延，而实际时延器一般仅可设置有限个离散延迟。
3、当前已有研究提出基于单层时延器的稀疏射频链天线结构，克服了波束色散带来的问题。但是，所设计的天线结构中大延迟范围时延器数目和硬件复杂度较高，导致较大的硬件成本和功耗。
技术实现思路
1、针对上述背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种太赫兹多层时延器结构及混合预编码设计方法，设计了一种基于多层时延器的太赫兹子连接天线结构，基于该天线结构提出一种多用户混合模拟/数字预编码方案，该方案通过设计移相器相移和时延器延迟来实现模拟预编码，相较于传统方案有效降低了大延迟范围时延器数目和硬件复杂度。
2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
3、一种太赫兹多层时延器结构及混合预编码设计方法，其步骤如下：
4、步骤一：设计一种基于多层时延器的太赫兹子连接天线结构，并根据每层时延器和天线数目推导出时延器位数及离散时延集合；
5、步骤二：基于所设计的太赫兹子连接天线结构提出一种多用户模拟预编码和数字预编码混合模型，通过该混合模型求得太赫兹子连接天线结构的和速率；
6、具体的，首先根据中心频率处阵列响应向量设计移相器相移，然后应用时延器所在子阵列对应天线阵列的孔径渡越时间作为时延器延迟，并基于离散时延集合对时延器延迟进行离散化处理，得到模拟预编码矩阵；再基于模拟预编码矩阵采用低复杂度迫零预编码技术设计得到数字预编码矩阵；最后根据模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵得到太赫兹子连接天线结构的和速率。
7、优选地，传统太赫兹子连接天线结构包括nt根天线和nrf个射频链，每个子阵列含有n根天线，其中n＝nt/nrf；规定基站服务k个单天线用户，则最大可服务的用户数k＝nrf；相邻两根天线间距为d＝c/2fc＝λc/2，其中c表示光速，fc表示中心载波频率，λc表示中心载波波长；
8、所述基于多层时延器的太赫兹子连接天线结构是指基于传统子连接天线结构，在射频链和移相器之间插入n层时延器，其中，基站服务的单天线用户与射频链数目相同，因此，规定每个射频链所在的子阵列服务一个单天线用户，而每个用户位于不同的方位角θk。
9、优选地，所述模拟预编码矩阵的获得方法为：
10、插入n层时延器后，移相器单元产生的与频率无关的相移为：
11、
12、其中，p＝1,2,...,p，p表示最外层每个时延器连接的天线数目，td是相邻两根天线间的时间延迟，nrf＝1,...,nrf，表示第nrf个射频链服务用户的方位角；
13、n层时延器方案中第i层时延器单元产生的与频率相关的时延为：
14、
15、其中，mi＝1,2,...,mi，mi表示第i层时延器的数量，p＝n/m1…mn表示最后一层时延器连接的天线数量；
16、对进行离散化处理，可得离散时延为：
17、
18、其中，表示i层时延器的离散时延集合，表示i层时延器的位数，满足
19、时延器单元产生的与频率相关的相移为：
20、
21、其中，fm表示第m个子载波的频率，表示第一层第m1(m1＝1,2,...,m1)个时延器的时延，表示表示第二层第m1(m1＝1,2,...,m1)个时延器的时延；
22、天线单元总相移的表达式为：
23、
24、其中，表示移相器单元产生的与频率无关的相移；
25、则单个射频链的模拟预编码表示为：
26、
27、因此，n层时延器方案的模拟预编码矩阵的表达式为：
28、
29、优选地，所述数字预编码矩阵的获得方法为：
30、根据得到的模拟预编码矩阵f计算得到第k个用户的等效信道向量
31、
32、其中，是基站与第k个用户间的信道向量；
33、因此，等效信道矩阵可表示为：
34、
35、其中，上标t表示转置；
36、采用迫零预编码方案求得数字预编码矩阵
37、
38、其中，上标h表示共轭转置；
39、数字预编码矩阵还可以表示为：
40、
41、对数字预编码矩阵中的元素分别进行归一化，其中第k个用户的数字预编码表示为：
42、
43、其中，||·||f表示f范数。
44、优选地，所述太赫兹子连接天线结构的和速率表示为：
45、
46、其中，γm,k为第k个用户接收到的信干噪比，表达式为：
47、
48、其中，表示加性高斯高斯白噪声的方差。
49、本发明的有益效果：
50、1)本发明提出一种基于多层时延器的太赫兹子连接天线结构，该结构将时延器分为多层进行排列，而后根据每层放置的时延器数目及天线数目来设计时延器位数及离散时延集合；所提结构在有效克服波束色散前提下降低了大延迟范围时延器数目和硬件复杂度。
51、2)提出一种多用户混合模拟/数字预编码方案，该方案通过设计移相器相移和时延器延迟来实现模拟预编码，其中根据中心频率处的阵列响应向量设计移相器相移，用时延器连接的对应天线阵列孔径渡越时间作为时延器延迟，之后对其进行离散化处理；在所设计的模拟预编码方案基础上使用迫零(zero-forcing，zf)技术设计数字预编码；本发明相较于传统方案有效降低了大延迟范围时延器数目和硬件复杂度。
1.一种太赫兹多层时延器结构及混合预编码设计方法，其特征在于，其步骤如下：
2.根据权利要求1所述的太赫兹多层时延器结构及混合预编码设计方法，其特征在于，传统太赫兹子连接天线结构包括nt根天线和nrf个射频链，每个子阵列含有n根天线，其中n＝nt/nrf；规定基站服务k个单天线用户，则最大可服务的用户数k＝nrf；相邻两根天线间距为d＝c/2fc＝λc/2，其中c表示光速，fc表示中心载波频率，λc表示中心载波波长；
3.根据权利要求2所述的太赫兹多层时延器结构及混合预编码设计方法，其特征在于，所述模拟预编码矩阵的获得方法为：
4.根据权利要求3所述的太赫兹多层时延器结构及混合预编码设计方法，其特征在于，所述数字预编码矩阵的获得方法为：
5.根据权利要求4所述的太赫兹多层时延器结构及混合预编码设计方法，其特征在于，所述太赫兹子连接天线结构的和速率表示为：
