一种毫米波大规模MIMO系统混合预编码方法技术方案

本发明专利技术涉及无线通信技术领域，特别涉及一种毫米波大规模MIMO系统混合预编码方法,该技术方案所选用的MIMO系统信号处理流程为：用户待发送基带信号先利用数字预编码器进行数字预编码处理，然后调制到射频信号，再利用模拟预编码器对射频信号进行移相处理，再经天线阵列发送出去。本发明专利技术所提出的混合预编码方案具有接近理想预编码算法的通信信道容量性能，与基于空间稀疏等技术的理想预编器相比，有效降低了系统硬件复杂度以及编码设计复杂度和计算复杂度，仅经过简单迭代就可达到理想性能。

【技术实现步骤摘要】
一种毫米波大规模MIMO系统混合预编码方法
本专利技术涉及无线通信
，特别涉及一种适用于毫米波MIMO系统的混合预编码器设计方法。
技术介绍
毫米波(mmWave)和大规模多输入多输出(MIMO)的结合被认为是未来5G无线通信系统的一种有前景的方法，因为它在可用频谱方面提供数量级的增加。但由于天线数量的增加，数字预编码器的总体硬件复杂性和能量消耗成为严重的问题。为了解决这个问题，混合数字预编码和模拟预编码被用来减少射频链的数量。在此方案中，发射端的基带源信号首先被送入数字基带处理器，数字基带处理器输出联接到若干条RF链通道处理，然后再送入由相位转换器组成的模拟移相单元，最终转换成基带发射信号。接收端的数据流程与发射端的流程是一一对应的。由于相位转换器只能改变输入信号的相位，并不能调整输入信号的幅度，因此被称为模拟波束成形器。另一方面，数字收发通道不再与阵列天线对应相连，相比于全数字的波束成形方案,其数量可以大幅降低。对大规模MIMO信道模型和信道特征的进一步研究发现，基于毫米波波束空间具有很强稀疏性，可以通过将容量优化问题作为近似逼近问题，逼近最优容量。同时为了进一步简化RF链路结构，每个RF链可以仅连接一个天线子阵列，即采用子阵列结构实现混合预编码,每个天线子阵列为一个相控阵天线，通过RF模拟调相实现每个子阵列发送波束指向特定用户。基于上述研究，在具有子阵列结构的毫米波大规模MIMO混合预编码系统中，本专利提出了一种基于迭代混合预编码器设计方案，以实现低复杂度的近似最优性能。本专利技术的基本思路就是将复杂的毫米波MIMO混合预编码系统容量优化问题，分解为每个天线子阵列系统容量逐一优化处理的问题，这意味着连接到特定RF链的每个天线子阵列的预编码将可以分开考虑。对于第一个天线子阵列，先使用数字预编码器来控制幅度，然后使用模拟预编码器来调整相位。在优化第一个天线子阵列的可实现容量之后，利用逐次干扰消除的思想来消除第一个天线子阵列对总容量的贡献，然后优化第二个天线子阵列的容量，重复这样的过程，直到最后的天线子阵列，完成整个系统的容量优化问题求解，也即完成了混合预编码器的设计和求解。
技术实现思路
本专利技术提供了一种毫米波大规模MIMO系统混合预编码方法，旨在最大化可达的系统容量。为了解决上述问题，本专利技术提供了如下技术方案。一种毫米波大规模MIMO系统混合预编码方法，包括以下步骤：步骤【1】：根据本专利技术所采用的毫米波MIMO混合预编码系统技术方案，建立毫米波MIMO系统预编码器设计问题模型。本专利技术毫米波MIMO系统的信道容量表达式为：预编码器设计问题最终转化为最大化信道容量的优化求解问题，其数学表达式为：步骤【2】：采用串行干扰相消(SIC)的思想，先打开第1个天线子阵列，在等幅约束条件下，求P的第1列近似最优取值p1,opt。p1,opt的求解过程为：先给定初始模拟预编码，基于所述初始模拟预编码，屏蔽各个用户之间的干扰，然后通过从基站向多个用户提取聚合下行链路信道的相位，模拟预编码器仅进行相位调节和控制，最后根据ZF迫零预编码算法来求解数字预编码器。步骤【3】：打开第2个天线子阵列，在等幅约束条件下，求解P的第2列近似最优取值p2,opt，与此类推，顺序打开第m+1(1≤m＜N)个天线子阵列，求解P的第m+1列近似最优取值pm+1,opt，求解过程与步骤【2】类似，具体描述为：设定初始模拟预编码器，根据连续干扰消除的思想求解出最接近理想的模拟预编码器第m+1列幅值和相位，然后根据ZF迫零预编码算法来求解数字预编码矩阵。步骤【4】：将预编码矩阵所有列近似最优解组合在一起，得到完整混合预编码矩阵P的近似最优解Popt＝[p1,opt,p2,opt,...,pN,opt]。本专利技术步骤【1】所采用的毫米波MIMO混合预编码系统技术方案为：基站拥有N×M根天线，分成N个天线子阵列，仅用N个独立RF链同时传送K个用户数据流，每用户仅有单根接收天线，其中N≥K，且K是动态变化的。毫米波基带信号数据流处理具体过程为：1)首先，基站侧K个数据流被N×N个数字预编码器的预编码；2)数字预编码器输出连接到N个RF链路；3)每路RF输出经模拟预编码器ai再次预编码，输出M路相位不同射频信号，其中模拟预编码器由移相器组成，ai(i＝1，...，N)是一个M×1列向量，具有相同幅度,但相位不同的；4)最后，每个子阵列模拟预编码之后的M个数据流最终发送到子阵列的M根天线上，向空间输出无线信号。根据上述方案，用户侧接收到的K×1信号列矢量y可表示为：y＝ρHADs+n＝ρHPs+n(1)其中ρ是平均接收功率，s＝[s1,...,sN]T表示N×1列基带发射信号矢量，当N>K时，空闲信道sK+1,...,sN用随机扰码作为输入，并且假定P＝AD表示NM×N的混合预编码矩阵,它包括数字预编码和模拟预编码。为了减少硬件的复杂性，可以将数字预编码矩阵D设计为对角矩阵，并且第i个对角元素di,i可以是实常数。这意味着数字预编码器可以通过简单放大器实现。A表示NM×N模拟预解码矩阵，如下所示：式中矩阵元素0代表M×1列的0向量。所以有：P＝AD＝[p1,p2,...,pN]，其中pi是NM×1列向量，且仅有M个元素不为0。优选地，在所述步骤【2】中，采用SIC串行干扰相消思想求解步骤【1】中的非凸约束优化问题，其中第1个天线子阵列的容量优化问题，其数学模型表示为：等价于采用SVD分解求解，该优化方程的解为：上述解p1再经过(3)式所表示的MSE最小优化后，即可得到符合等幅约束条件的最优模拟预编码器p1,opt。优选地，在所述步骤【3】中，利用连续干扰消除的思想,依次从总信道容量中消除前m(m＝1,2,…,N-1)个天线子阵列的贡献，然后集中求解第m+1个天线子阵列的最优预编码矢量。通过利用Sherman-Morrison判定方式，当获得了前m个天线子阵列的预编码矢量时，在添加第(m+1)个天线子阵列的贡献之后，信道总容量R函数表达是为：其中P(1:m)表示P的前m列，P的第(m+1)列为pm+1，对应于(m+1)个天线子阵列。可以观察到容量等式右边的第一项与pm+1无关，令因此最大化容量函数表达式，等于最大化容量表达式右侧第二项，即：在步骤【3】的求解过程中，m(m＝1,2,…,N-1)分步求解得到pm+1,opt，与步骤【2】所求得的p1,opt组合，可得到步骤【4】所述完整整混合预编码矩阵为Popt＝[p1,opt,p2,opt,...,pN,opt]。因为一次性直接求解步骤【1】所述非凸约束优化问题是困难的，所以如步骤【2】、步骤【3】所述，本专利技术采用串行干扰相消(SIC)的思想，顺序打开第m(m＝1,2,…,N)个天线子阵列，求P的第m列近似最优取值pm,opt。步骤【2】所述采用SVD分解所求得的最优解因为不符合模拟预编码器天线子阵列中每根天线等幅约束条件，p1不能作为最终解，所以必须选择p1,opt作为最终解。其中p1,opt满足等幅值、相位可变约束条件，且与p1的MSE均方误差达到最小化。利用本专利所所述方法设计的预编码器，可以支持多个数据流的同时传输，硬件复杂度大大降低，其中仅需要K个RF链，所设计预编码器信道容量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种毫米波大规模MIMO系统混合预编码方法，其特征在于预编码器的设计和实施过程包括以下步骤：步骤【1】：根据本专利技术所采用的毫米波MIMO混合预编码系统技术方案，建立毫米波MIMO系统预编码器设计问题模型。本专利技术所述毫米波MIMO系统的信道容量表达式为：

【技术特征摘要】
1.一种毫米波大规模MIMO系统混合预编码方法，其特征在于预编码器的设计和实施过程包括以下步骤：步骤【1】：根据本发明所采用的毫米波MIMO混合预编码系统技术方案，建立毫米波MIMO系统预编码器设计问题模型。本发明所述毫米波MIMO系统的信道容量表达式为：预编码器设计问题最终转变成为最大化信道容量的优化问题，其数学表达式为：步骤【2】：采用串行干扰相消(SIC)的思想，先打开第1个天线子阵列，在等幅约束条件下，求P的第1列近似最优取值p1,opt。p1,opt的求解过程为：先给定初始模拟预编码，基于所述初始模拟预编码，屏蔽各个用户之间的干扰，然后通过从基站向多个用户提取聚合下行链路信道的相位，模拟预编码器仅进行相位调节和控制，最后根据ZF迫零预编码算法来求解数字预编码器。步骤【3】：打开第2个天线子阵列，在等幅约束条件下，求解P的第2列近似最优取值p2,opt，与此类推，顺序打开第m+1(1≤m＜N)个天线子阵列，求解P的第m+1列近似最优取值pm+1,opt，求解过程与步骤【2】类似，具体描述为：设定初始模拟预编码器，根据连续干扰消除的思想求解出最接近理想的模拟预编码器第m+1列幅值和相位，然后根据ZF迫零预编码算法来求解数字预编码矩阵。步骤【4】：将预编码矩阵所有列近似最优解组合在一起，得到完整混合预编码矩阵P的近似最优解Popt＝[p1,opt,p2,opt,...,pN,opt]。2.如权利要求1所述毫米波大规模MIMO系统混合预编码方法，其特征在于，在所述步骤【1】中采用的毫米波MIMO混合预编码系统技术方案为：基站拥有N×M根天线，分为N个天线子阵列，仅用N个独立RF链同时传送K个用户数据流，每用户仅有单根接收天线，其中N≥K，且K是动态变化的。数据流处理具体过程为：1)首先，基站侧K个数据流由N×N个数字预编码器进行预编码处理；2)数字预编码器输出然后连接到N个RF链路；3)每路RF输出经模拟预编码器ai再次预编码，输出M路相位不同射频信号。模拟预编码器由移相器组成，ai(i＝1，...，N)是一个M×1列向量，具有相同幅度,但相位不同的；4)最后，每组模拟预编码之后的M个数据流最终发送到一个天线子阵列的M根天线上，并向空间输出无线信号。因此，用户侧接收到的K×1信号列矢量y可表示为：y＝ρHADs+n＝ρHPs+n(1)其中ρ是平均接收功率，s＝[s1,...,sN]T表示N×1列基带发射信号矢量，当K<N时，sK+1,...,sN用随机扰码作为空闲信道的信号输入，并且假定P＝AD表示NM×N的混合预编码矩阵,它包括数字预编码和模拟预编码。为了减少硬件的复杂性，将数字预编码矩阵D设计为对角矩阵，并且第i个对角元素di,i是实常数。这意味着数字预编码器可以...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴君钦，付名扬，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36