3D MIMO信道下基于非均匀分割的垂直维码本设计方法技术

本发明专利技术涉及一种3D MIMO信道下基于非均匀分割的垂直维码本设计方法，属于无线通信技术领域。在该方法中，首先，基站采用均匀平面阵列天线以生成大规模3D-MIMO信道；然后根据旋转DFT公式生成G个满秩DFT酉矩阵构成水平维码本F(h)；然后由基站高度和小区半径等信息计算出垂直维波束下倾角概率分布，进而基于非均匀分割获得若干离散的波束角度，并生成相应的码字矢量，构造出垂直维码本F(v)；最后联合水平维码本和垂直维码本，并利用Kronecker积构造面向3D-MIMO的预编码码本。本发明专利技术提出的基于非均匀分割的码本方案可以获得更强的预编码增益和干扰抑制能力，提高系统的整体性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，涉及一种3DΜπω信道下基于非均匀分割的垂直 维码本设计方法。
技术介绍
近年来，随着手机、平板等智能终端的广泛普及，移动数据业务量呈现爆炸式 增长，而现有的无线通信系统已经逐渐不能满足如此庞大的业务需求。因此，学术界和 产业界相继展开了针对第五代移动通信技术（5thGeneration，5G)的研究。而大规模 ΜΙΜΟ(MultipleInputMultipleOutput，ΜΙΜΟ)技术作为5G的候选关键技术之一，相比现 有的第四代移动通信技术（4thGeneration，4G)技术，由于其能够非常显著地提升通信系统 的频谱效率和能量效率，目前已成为国内外研究的热点。 相比传统ΜΜ0,大规模ΜΜ0天线数目的急剧增加，使基站获得更为精确的波束 控制能力，同时抑制了无线通信系统带来的干扰，可提供巨大的小区内及小区边缘用户的 干扰抑制增益。然而随着天线数目增多带来的实际天线阵列面积迅速增大，这给基站的选 址以及天线阵列的安装带来了严峻挑战。目前，基于平面阵列、圆形阵列和立方体等多种 天线结构展开而形成的大规模 3D_MIM0(ThreeDimensional-MultipleInputMultiple Output，3D-M頂0)，不仅减少天线阵列占用空间，而且额外带来的垂直维自由度使其更加灵 活地进行干扰协调和干扰抑制，从而使整个系统性能提升。 大规模ΜΙΜ0技术与多用户相结合所形成的大规模多用户 Μ頂0 (MultiuserM頂0,MU-M頂0)，可进一步利用空间自由度大幅地提升系统的吞吐量和 频谱效率。而预编码是MU-MBTO系统的关键技术，可利用信道状态信息（ChannelState Information，CSI)调整发射策略，从而有效地抑制多用户干扰和提高接收信噪比。脏纸编 码（DirtyPaperCoding，DPC)证明，若发送端能够准确的获知干扰信号，则在发送端通过某 种预编码处理，可使得有干扰系统的信道容量与无干扰系统的信道容量相同。由于DPC理 论很难应用到实际ΜΜ0系统中，一些次优预编码技术应运而生。一类是基于实时信道处理 的预编码技术，如信道反转，信道块对角化等，需要发送端获知完全的信道状态信息。然而， 在大规模MMO系统中天线数目巨大，发射端若想要获得完全CSI，反馈代价太大而将无法 实现。另一类是基于码本的预编码技术，基站端和用户端共存一个相同的码本，用户端依据 CSI选择一个最优码字，并将其索引反馈回基站，基站端通过码字索引恢复最优码字，并进 行预编码处理。由于仅仅反馈了最优码字索引，从而大幅地缩减了反馈量，在Μπω系统得 到广泛应用。现有的基于码本的预编码技术的码本构造有基于DFT的酉矩阵码本，根据格 拉斯曼空间打包原理构成的格拉斯曼码本，以及Householder码本等。酉矩阵码本在强相 关信道下性能较好，但码本大小有限；格拉斯曼码本抑制干扰的能力不足；Householder码 本在相关信道下性能还有待改善。然而，这些码本都没有充分利用大规模3D-M頂0信道特 点，不能较好匹配大规模3D-M頂0信道，所以在大规模3D-M頂0信道下，预编码码本需要进 一步优化设计。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种3DMIM0(ThreeDimensional-Multiple InputMultipleOutput，3D-MIM0)信道下基于非均勾分割的垂直维码本设计方法，在该 方法中，首先，基站采用均匀平面阵列天线以生成大规模3D-Mnro信道；然后根据旋转DFT 公式生成G个满秩DFT酉矩阵构成水平维码本F(h);然后由基站高度和小区半径等信息 计算出垂直维波束下倾角概率分布，进而基于非均匀分割获得若干离散的波束角度，并生 成相应的码字矢量，构造出垂直维码本F(v);最后联合水平维码本和垂直维码本，并利用 Kronecker积构造面向3D-MIM0的预编码码本。 为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案： -种3DΜ頂0信道下基于非均匀分割的垂直维码本设计方法，包括以下步骤： 步骤一：基于非均匀分割构造垂直维码本F(v); 步骤二：构造水平维码本F(h)，采用离散傅里叶变换（DiscreteFourier Transform，DFT)码本，进而利用Kronecker积运算构造面向3D-MIM0信道的预编码码本 F3D。 进一步，所述步骤一具体包括： 1)求解波束下倾角累计分布函数： 考虑用户均匀分布于半径为r的正六边形的小区内，高度为h的基站位于小区中 心，小区内单位面积上用户分布的概率为，下倾角Θ的累计分布函数如下： 其中表示最小下倾角， 2)非均匀分割方式设计离散波束角： 波束下倾角Θ介于区间[Θ_，Θ。）和[Θ。，JI/2)，同时呈现非均匀分布的特点， 分别在两个区间上设置数量不等的离散波束角以指向不同的波束方向，具体设置方法如 下： 在区间[Θ_，Θ上均匀设置％ 个离散波束角，而在区间[Θ。，π/2)上 利用累计分布函数F(0)以非均匀分割的方式设置#2=iV-^Va」个离散波束角，其中α =F(Θ。）表示波束角Θ在区间[Θ_，Θ。）上的概率，表示取大于等于X的整数；离散 波束角θn可计算如下： 3)根据离散波束角和垂直维天线之间的相关性构造导向矢量： 利用垂直维天线之间的强相关性可生成导向矢量如下：表示不同方向的波束由于垂直维度天线间距引起的相位 差，比表示基站UPA的垂直维天线数，（·）τ表示矩阵的转置。 进一步，所述步骤二具体包括： 水平维码本F(h)由旋转DFT生成，其中第g个子码本中的第（n，m)个元素按下式 计算：其中η=1，. .，Nh;m=1，. . .，Nh;g=1，. . .，G，Nh为水平维天线数，G表示水平维 的子码本数；联合水平维码本和垂直维码本，利用Kronecker积运算构造面向3D-MIM0的预 编码码本，其中3D-MIM0的预编码码本中的第q个子码本按下式计算：其中n = l，..，N;g=1，...，64= 811，易知？3[)中包含有6\~个子码本。 本专利技术的有益效果在于：本专利技术所述方法不仅综合了水平维度与垂直维度的信道 信息进行码本设计，而且针对垂直维信道特点以非均匀分割空间方式的构造垂直维码本， 使垂直维波束更加准确地区分用户，进而提高3D码本对干扰的抑制能力。所以，本专利技术提 出的基于非均匀分割的码本方案可以获得更强的预编码增益和干扰抑制能力，提高系统的 整体性能。【附图说明】 为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行 说明： 图1为基于UPA配置的大规模3D-M頂0信道模型示意图； 图2为本专利技术的面向3D-M頂0的码本构造流程图； 图3为面向大规模3D-M頂0的预编码系统框图； 图4为3D-MIM0系统预编码码本的实施操作流程图。【具体实施方式】 下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。 图1为基于UPA配置的大规模3D-M頂0信道模型示意图： 如图1(a)所示，用户均匀分布于半径为r的正六边形的小区内，并且高度为h的 基站位于小区中心位置。如图1(b)所示，基站端配置为NhXNv的二维UPA，水平维和垂直 维天线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种3D MIMO信道下基于非均匀分割的垂直维码本设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：基于非均匀分割构造垂直维码本F(v)；步骤二：构造水平维码本F(h)，采用离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)码本，进而利用Kronecker积运算构造面向3D‑MIMO信道的预编码码本F3D。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：景小荣，曾友财，张祖凡，陈前斌，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85