一种适用于3D MIMO系统的双层预编码方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于3D MIMO系统的双层预编码方法，在3D MIMO系统中，基站采用有源天线阵列系统，接收端接收信号后，对信号进行信道估计，得到三维信道矩阵，然后根据信道中垂直方向的相关性强于水平方向相关性的特点，针对三维信道矩阵首先设计垂直预编码矩阵，然后对三维信道矩阵进行垂直方向上的合并，继而设计水平预编码矩阵，最后将两个预编码矩阵合并反馈到基站端。本发明专利技术的有益之处在于：充分利用了信道中的垂直和水平状态信息，相对于直接对三维信道矩阵进行奇异值分解得到预编码矩阵的方法，在复杂度上大大降低，性能却没有下降，而且更有利于进一步的码本设计及有限反馈，对系统性能有极大的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于3DMIMO系统的双层预编码方法
本专利技术涉及一种预编码方法，具体涉及一种适用于3DMIMO系统的双层预编码方法，属于无线通信

技术介绍
在现有的蜂窝系统当中，基站发射端波束仅能在水平维进行调整，而垂直维对每个用户都是固定的下倾角。而在现实生活中，随着用户数的增多，以及小区半径的不断减小，使得信道垂直维度上的信息越来越重要，传统的预编码方法无法从垂直维上对用户进行区分，对系统性能造成了严重的干扰。随着有源天线阵列系统(AAS)的不断发展，基站天线可以在不改变天线尺寸的条件下，将每根天线在垂直维度上分成若干个可以独立调整权值的阵子，从而促进了3DMIMO技术的发展。3DMIMO技术增加了垂直方向上的自由度，为LTE传输技术性能提升开拓出了更广阔的空间，使得进一步降低小区间干扰、提高系统吞吐量和频谱效率成为可能。但是，传统的预编码方法都是基于水平维度的信道信息进行设计的，无法直接应用于3DMIMO系统中，因此，设计适用于3DMIMO系统的预编码方法成为了3DMIMO技术研究中的一个重点。在现有的3DMIMO技术研究中，学者们通常采用以下方法实现系统性能的提升：1、通过对基站天线的下倾角进行动态调整，在垂直方向上进行小区分裂，对于不同垂直方向上的用户采用不同的天线下倾角进行对准，而水平方向上则采用传统的预编码方法。这种方法可以有效减少用户的反馈，并获得一定的性能提升。但是由于不能准确的对准每个用户，使得该方法在性能上提升不大。2、对信道分别求出水平和垂直波束形成向量，并通过克罗内克乘积的方法将得到的水平和垂直波束形成向量合并成一个新的波束形成向量。这种方法可以得到比方法1更大的性能增益，但是仍不能完善的反馈信道信息，且只能应用于单流的传输系统中，即每次只能发送一个信号流。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种能够有效降低信道状态信息的反馈量、显著提升3DMIMO系统的整体性能的双层预编码方法。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种适用于3DMIMO系统的双层预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)假设基站每一行有Nt个水平天线阵子，每一列有Nv个垂直天线阵子，并且每一个天线阵子的权值和相位能够动态调整，基站每次发送的数据个数为L，L<min(Nr,Nt×Nv)，前述基站采用有源天线阵列系统，天线阵列为均匀平面阵，假设接收端有Nr根接收天线；(2)接收端接收基站发送的信号后，对信号的信道状态信息进行估计，得到三维信道矩阵H：前述三维信道矩阵H的大小为Nr×(Nt×Nv)；(3)根据三维信道矩阵H设计垂直预编码矩阵Wv：前述垂直预编码矩阵Wv的大小为(Nt×Nv)×Nt；(4)通过垂直预编码矩阵Wv对原三维信道矩阵H进行垂直方向上的合并，得到等效的信道矩阵Hequal：Hequal＝H×Wv，前述信道矩阵Hequal的大小为Nr×Nt；(5)根据等效的信道矩阵Hequal以及基站一次传递的数据个数L,设计水平预编码矩阵Wh：Wh＝[v1,...,vL]前述水平预编码矩阵Wh的大小为Nt×L；(6)接收端将得到的垂直预编码矩阵Wv和水平预编码矩阵Wh反馈给基站，基站对垂直预编码矩阵Wv和水平预编码矩阵Wh进行合并，得到最终的适用于3DMIMO的预编码矩阵W：W＝Wh×Wv。前述的适用于3DMIMO系统的双层预编码方法，其特征在于，在步骤(3)中，根据三维信道矩阵H设计垂直预编码矩阵Wv的过程为：①将三维信道矩阵H重写为以下形式：其中，Hi为基站第i列天线与接收天线所对应的子信道矩阵，大小为Nr×Nv；②对于每一个子信道矩阵Hi，对其进行奇异值分解：Hi＝UiSiViH，其中Ui和Vi为酉矩阵，Si为对角矩阵，ViH是对矩阵Vi的共轭转置；取右奇异矩阵Vi的第一列为该子信道矩阵Hi的垂直预编码向量vi；③将步骤②中所得到的Nt个向量vi写成以下形式：其中，0为Nv×1的零向量，由此可得到大小为(Nt×Nv)×Nt的垂直预编码矩阵Wv：前述的适用于3DMIMO系统的双层预编码方法，其特征在于，在步骤(5)中，根据等效的信道矩阵Hequal以及基站一次传递的数据个数L,设计水平预编码矩阵Wh的过程为：对等效的信道矩阵Hequal进行奇异值分解，得到：Hequal＝USVH，其中，酉矩阵V写成下面形式：V＝[v1,v2,...,vNt]，当基站每次传递的数据个数为L时，选取右奇异矩阵V的前L列向量作为水平预编码矩阵Wh：Wh＝[v1,...,vL]。本专利技术的有益之处在于：1、本专利技术的方法将一个规模较大的信道矩阵分解成若干个较小的信道矩阵，并进行预编码设计，不仅有效降低了信道状态信息的反馈量，而且有利于有限反馈码本的设计；2、本专利技术的方法利用三维信道中的垂直方向上角度扩展小、相关性远大于水平方向相关性的特征，先进行垂直方向上的预编码设计和信道合并，再进行相关性较小的水平方向上的预编码设计，进一步提升了3DMIMO系统的吞吐量性能，实现了信号的多流传输；3、本专利技术的方法充分地利用了信道中的垂直方向上的信道信息，将每列天线在垂直方向上指向最优的方向，相比于传统的预编码方法，显著地提高了系统的整体性能。附图说明图1是本专利技术的双层预编码方法的流程示意图；图2是单流下误比特率性能比较图；图3是双流下误比特率性能比较图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作具体的介绍。本专利技术的适用于3DMIMO系统的双层预编码方法，其基于空间信道中垂直方向上的相关性远远强于水平方向上的相关性的特点，先对信道进行垂直方向上的预编码，使信道在垂直维度上取得最佳的合并效果，然后再进行水平方向上的预编码，从而实现了信号的多流传输。在本方法所适用的3DMIMO系统场景中，基站采用的是有源天线阵列系统，天线阵列为均匀平面阵，并且每一个天线阵子的权值和相位均能够动态调整。参照图1，本专利技术的适用于3DMIMO系统的双层预编码方法包括以下步骤：1、假设基站端每一行有Nt个水平天线阵子，每一列有Nv个垂直天线阵子，这Nt×Nv根天线阵子的权值和相位均可动态调整。基站每次发送的数据个数为L，L<min(Nr,Nt×Nv)。L的取值可以是1或2，即单流或双流。假设接收端有Nr根接收天线。2、接收端接收基站发送的信号后，对信号的信道状态信息进行估计，得到三维信道矩阵H：该三维信道矩阵H的大小为Nr×(Nt×Nv)。3、基于三维信道中垂直方向上角度扩展小于水平方向角度扩展，故相关性远大于水平方向相关性的特征，先对三维信道矩阵H进行垂直方向上的预编码矩阵设计。具体的，根据三维信道矩阵H设计垂直预编码矩阵Wv的过程为：(1)、首先将三维信道矩阵H重写为以下形式：其中，Hi表示的是基站第i列天线与接收天线所对应的子信道矩阵，大小为Nr×Nv。(2)、对于每一个子信道矩阵Hi，对其进行奇异值分解：Hi＝UiSiViH，其中Ui和Vi为酉矩阵，Si为对角矩阵，ViH是对矩阵Vi的共轭转置。分解后得到右奇异矩阵Vi，取右奇异矩阵Vi的第一列为该子信道矩阵Hi的垂直预编码向量vi。(3)、对所有的子信道矩阵Hi进行奇异值分解后，将步骤(2)中所得到的Nt个垂直预编码向量vi写成以下形式：其中，0为Nv×1的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于3D MIMO系统的双层预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)假设基站每一行有Nt个水平天线阵子，每一列有Nv个垂直天线阵子，并且每一个天线阵子的权值和相位能够动态调整，基站每次发送的数据个数为L，L<min(Nr,Nt×Nv)，所述基站采用有源天线阵列系统，天线阵列为均匀平面阵，假设接收端有Nr根接收天线；(2)接收端接收基站发送的信号后，对信号的信道状态信息进行估计，得到三维信道矩阵H：所述三维信道矩阵H的大小为Nr×(Nt×Nv)；(3)根据三维信道矩阵H设计垂直预编码矩阵Wv：所述垂直预编码矩阵Wv的大小为(Nt×Nv)×Nt；(4)通过垂直预编码矩阵Wv对原三维信道矩阵H进行垂直方向上的合并，得到等效的信道矩阵Hequal：Hequal＝H×Wv，所述信道矩阵Hequal的大小为Nr×Nt；(5)根据等效的信道矩阵Hequal以及基站一次传递的数据个数L,设计水平预编码矩阵Wh：Wh＝[v1,...,vL]所述水平预编码矩阵Wh的大小为Nt×L；(6)接收端将得到的垂直预编码矩阵Wv和水平预编码矩阵Wh反馈给基站，基站对垂直预编码矩阵Wv和水平预编码矩阵Wh进行合并，得到最终的适用于3D MIMO的预编码矩阵W：W＝Wh×Wv。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于3DMIMO系统的双层预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)假设基站每一行有Nt个水平天线阵子，每一列有Nv个垂直天线阵子，并且每一个天线阵子的权值和相位能够动态调整，基站每次发送的数据个数为L，L<min(Nr,Nt×Nv)，所述基站采用有源天线阵列系统，天线阵列为均匀平面阵，假设接收端有Nr根接收天线；(2)接收端接收基站发送的信号后，对信号的信道状态信息进行估计，得到三维信道矩阵H：所述三维信道矩阵H的大小为Nr×(Nt×Nv)；(3)根据三维信道矩阵H设计垂直预编码矩阵Wv：所述垂直预编码矩阵Wv的大小为(Nt×Nv)×Nt；(4)通过垂直预编码矩阵Wv对三维信道矩阵H进行垂直方向上的合并，得到等效的信道矩阵Hequal：Hequal＝H×Wv，所述信道矩阵Hequal的大小为Nr×Nt；(5)根据等效的信道矩阵Hequal以及基站一次传递的数据个数L,设计水平预编码矩阵Wh：Wh＝[v1,...,vL]所述水平预编码矩阵Wh的大小为Nt×L；(6)接收端将得到的垂直预编码矩阵Wv和水平预编码矩阵Wh反馈给基站，基站对垂直预编码矩阵Wv和水平预编码矩阵Wh进行合并，得到最终的适用于3DMIMO的预编码矩阵W：W＝Wh×Wv。2.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇朝，王伟，刘灿，马克，井文文，张海林，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61