一种大规模MIMO系统中数模混合预编码方法技术方案

本发明专利技术公开了一种大规模MIMO系统中数模混合预编码方法，包括以下步骤：发射端计算理想的预编码矩阵；发射端分别计算模拟域和数字域的预编码矩阵；发射端对发送信号进行预编码；接收端计算理想的合并矩阵；接收端分别计算模拟域和数字域的合并矩阵；接收端对接收信号进行合并。本发明专利技术提出的数模混合预编码方法解决了大规模MIMO系统中数模混合域预编码方案实现复杂度过高的问题，同时可以获得较高的频谱效率，具有一定的创新性、实用性。

Digital and analog mixed precoding method in large scale MIMO system

The invention discloses a large-scale MIMO system in mixed pre encoding method, which comprises the following steps: Calculation of ideal transmitter precoding matrix; the transmitter is calculated respectively the analog and digital domains of the precoding matrix; the transmitter pre encoding the transmitted signal; the receiving end with matrix calculation of ideal matrix; reception the end is calculated respectively the analog and digital domains; the receiver with the received signal. The invention provides a mixed pre encoding method to solve the large-scale MIMO system in mixed domain pre encoding scheme to achieve high complexity, and can obtain a higher spectrum efficiency, has certain innovation and practicability.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信
，尤其涉及一种大规模MIMO系统中数模混合预编码方法。
技术介绍
多输入多输出(MIMO)技术能够充分利用空间资源来对抗无线信道的衰落，从而在不增加系统带宽和发送功率的情况下，可以提高了通信系统的可靠性和频谱利用率。目前，MIMO技术已经广泛应用于多种移动通信标准中，例如UMTS系统的HSDPA、3GPP中的LTE/LTE-A、IEEE802.16e/m中的WiMAX和IEEE802.11n/ac/ah中的WLAN/WI-F。在上述这些系统中，收发两端的天线规模都较小，即基站或接入点的天线数最多不超过8个，而用户天线数最多不超过4个。第5代(5G)移动通信系统旨在为用户提供Gbit/s的数据传输率，由于现有移动通信授权频谱资源的限制，使得该目标的实现变得非常困难。于是，针对毫米波段非授权频段在未来移动通信中的应用研究成为目前国内外学者研究的重点。毫米波因其波长相对较短，天线阵列的物理尺寸大幅度缩小，因此基站端可以安装大规模天线，从而可将毫米波系统与大规模MIMO技术完美地结合起来。作为有效提升未来5G系统数据率、缓解频谱资源压力的有效技术，毫米波大规模MIMO系统及相关关键技术的研究已成为当前移动通信领域的热门研究课题。在毫米波大规模MIMO系统中，受能耗和成本等因素的限制，设计合理的预编码方案显得尤为重要。传统的小规模MIMO预编码方案主要集中在基带，通过采用全数字预编码器对信号进行预处理，从而减小干扰和接收机处理的复杂度。在该方案中，RF射频(RF射频)链路的个数与收发天线数相等，但数目相对较少，因此能耗和成本相对较低。而在毫米波大规模MIMO系统中，由于基站天线数高达数十根甚至上百根，这种全数字预编码方案已不再适用。为了解决毫米波大规模MIMO系统中的预编码问题，研究人员提出了多个数模混合的预编码方案。相关得的研究成果主要分以下为两类：第一类基于共享天线设计，即每个RF链路与所有的天线相连。文献O.ElAyach,S.Rajagopal,S.Abu-Surra,Z.Pi,andR.W.Heath,Jr.,“SpatiallysparseprecodinginmillimeterwaveMIMOsystems,”IEEETrans.WirelessCommun.,vol.13,no.3,pp.1499–1513,Mar.2014，将数模混合预编码设计建模为一个稀疏信号的重构问题，并提出基于正交匹配追踪算法的数模混合预编码方案。虽然该方案可以获得比较好的性能，但实现复杂比较高。而另一类基于分离天线设计，即每个RF链路只与所有部分的天线相连。文献X.Gao,L.Dai,S.Han,C.-L.I,andR.W.Heath,Jr.,“Energy-efficienthybridanaloganddigitalprecodingformmWaveMIMOsystemswithlargeantennaarrays,”IEEEJ.Sel.AreasCommun.,vol.34,no.4,pp.998–1009,Apr.2016，利用连续干扰消除的思想，提出了一种基于迭代的数模混合预编码方案。该方案假设数字域预编码矩阵为具有对角矩阵的结构，这种假设使得数字域预编码只起到功率分配的作用，从而导致系统性能损失较多。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种大规模MIMO系统中数模混合预编码方法，旨在解决现有的基于共享天线设计的数模混合预编码方案的实现复杂度比较高的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种大规模MIMO系统中数模混合预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，发射端计算理想的预编码矩阵Fopt；步骤二，发射端分别计算模拟域的预编码矩阵FRF和数字域的预编码矩阵FBB；步骤三，发射端利用FRF和FBB对发送信号进行预编码；步骤四，接收端计算理想的合并矩阵Wopt；步骤五，接收端分别计算模拟域的合并矩阵WRF和数字域的合并矩阵WBB；步骤六，接收端利用WRF和WBB对接收信号进行合并。进一步地，所述步骤一具体包括：第一步，发射端根据接收端的反馈信号对MIMO信道进行估计得到MIMO信道矩阵的估计第二步，发射端对信道矩阵进行奇异值分解，即其中，Σ1为NR×NT维的对角矩阵且可以表示为Σ1＝diag(λ1,λ2,…,λr,0,…,0)，其中，λ1,λ2,…,λr为的非零奇异值且满足λ1＞λ2＞…＞λr且其中diag()表示对角矩阵，rank()表示求矩阵的秩；而U1和V1分别是NR×NR维和NT×NT维的酉矩阵且()*表示求矩阵的共轭转置；第三步，取第二步中的矩阵V1最左边的NS列作为理想的预编码矩阵Fopt。进一步地，所述步骤二具体包括：第一步，发射端将模拟域的预编码矩阵初始化为FRF＝Fopt/||Fopt||，其中||||表示求矩阵的F范数，同时设置迭代总次数为K，并将迭代计数器的值k初始化为0；第二步，发射端对FoptFRF进行奇异值分解，即FoptFRF＝U2Σ2(V2)*，其中，Fopt为步骤一得到的理想预编码矩阵，FRF为上一步得到的模拟域的预编码矩阵；然后，发射端计算数字域的预编码矩阵为FBB＝V2U2；第三步，发射端计算模拟域的预编码矩阵为FRF＝(Fopt(FBB)*)/||Fopt(FBB)*||，其中，Fopt为步骤一得到的理想预编码矩阵，FBB为上一步得到的数字域的预编码矩阵；然后，发射端将迭代计数器的值k加1，即k＝k+1；第四步，发射端判断迭代计数器的当前值k是否等于K，如果k＝K，则步骤二结束；否则，跳转到第二步。进一步地，利用步骤二得到的FRF和FBB，发射端对发送信号进行预编码，发射端的发送信号为其中，PT为发射端的发射功率，s为NS维的列向量且表示发射端预编码器的NS路并行输入数据。进一步地，所述步骤四具体包括：第一步，接收端根据发射端发送的训练信号对MIMO信道进行估计得到MIMO信道矩阵的估计第二步，接收端对信道矩阵进行奇异值分解，即其中，Σ3为NR×NT维的对角矩阵且可以表示为Σ3＝diag(η1,η2,…,ηr,0,…,0)，其中，η1,η2,…,ηr为的非零奇异值且满足η1＞η2＞…＞ηr且其中diag()表示对角矩阵，rank()表示求矩阵的秩；而U3和V3分别是NR×NR维和NT×NT维的酉矩阵且()*表示求矩阵的共轭转置；第三步，取第二步中的矩阵U3最左边的NS列作为理想的预编码矩阵Wopt。进一步地，所述步骤五具体包括：第一步，接收端将模拟域的合并矩阵初始化为WRF＝Wopt/||Wopt||，其中||||表示求矩阵的F范数，同时设置迭代总次数为K，并将迭代计数器的值k初始化为0；第二步，接收端对WoptWRF进行奇异值分解，即WoptWRF＝U4Σ4(V4)*，其中，Wopt为步骤四得到的理想合并矩阵，WRF为步骤上一步得到的模拟域的合并矩阵；然后，接收端计算数字域的合并矩阵为WBB＝V4U4；第三步，接收端计算模拟域的合并矩阵为WRF＝(Wopt(WBB)*)/||Wopt(WBB)*||，其中，Wopt为步骤四得到的理想合并矩阵，WBB为上一步得到的数字域的合并矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大规模MIMO系统中数模混合预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，发射端计算理想的预编码矩阵Fopt；步骤二，发射端分别计算模拟域的预编码矩阵FRF和数字域的预编码矩阵FBB；步骤三，发射端利用FRF和FBB对发送信号进行预编码；步骤四，接收端计算理想的合并矩阵Wopt；步骤五，接收端分别计算模拟域的合并矩阵WRF和数字域的合并矩阵WBB；步骤六，接收端利用WRF和WBB对接收信号进行合并。

【技术特征摘要】
1.一种大规模MIMO系统中数模混合预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，发射端计算理想的预编码矩阵Fopt；步骤二，发射端分别计算模拟域的预编码矩阵FRF和数字域的预编码矩阵FBB；步骤三，发射端利用FRF和FBB对发送信号进行预编码；步骤四，接收端计算理想的合并矩阵Wopt；步骤五，接收端分别计算模拟域的合并矩阵WRF和数字域的合并矩阵WBB；步骤六，接收端利用WRF和WBB对接收信号进行合并。2.如权利要求1所述的大规模MIMO系统中数模混合预编码方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：第一步，发射端根据接收端的反馈信号对MIMO信道进行估计得到MIMO信道矩阵的估计第二步，发射端对信道矩阵进行奇异值分解，即其中，Σ1为NR×NT维的对角矩阵且可以表示为Σ1＝diag(λ1,λ2,…,λr,0,…,0)，其中，λ1,λ2,…,λr为的非零奇异值且满足λ1＞λ2＞…＞λr且其中diag()表示对角矩阵，rank()表示求矩阵的秩；而U1和V1分别是NR×NR维和NT×NT维的酉矩阵且()*表示求矩阵的共轭转置；第三步，取第二步中的矩阵V1最左边的NS列作为理想的预编码矩阵Fopt。3.如权利要求1所述的大规模MIMO系统中数模混合预编码方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：第一步，发射端将模拟域的预编码矩阵初始化为FRF＝Fopt/||Fopt||，其中||||表示求矩阵的F范数；同时设置迭代总次数为K，并将迭代计数器的值k初始化为0；第二步，发射端对FoptFRF进行奇异值分解，即FoptFRF＝U2Σ2(V2)*，其中，Fopt为步骤一得到的理想预编码矩阵，FRF为上一步得到的模拟域的预编码矩阵；然后，发射端计算数字域的预编码矩阵为FBB＝V2U2；第三步，发射端计算模拟域的预编码矩阵为FRF＝(Fopt(FBB)*)/||Fopt(FBB)*||，其中，Fopt为步骤一得到的理想预编码矩阵，FBB为上一步得到的数字域的预编码矩阵；然后，发射端将迭代计数器的值k加1，即k＝k+1；第四步，发射端判断迭代计数器的当前值k是否等于K，如果k＝K，则步骤二结束；否则，跳转到第二步。4.如权利要求1所述的大规模MIMO系统中数模混合预编码方法，其特征在于，利用步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：高洋，葛建华，高宏伟，高明，刘刚，李毅，张南，
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