一种用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法技术方案

本发明专利技术提出了一种用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法，包括以下步骤：在射频端，先假定所有载波上的模拟预编码相同，以最大化系统频谱效率为准则，利用完整的信道状态信息计算理想的模拟预编码矩阵；然后根据实际系统中的移相器特性，确定实际中每个载波上的模拟预编码矩阵，并在数字域设计相位修正矩阵，修正实际中不同载波上的模拟预编码发生的相位偏移，以逼近理想的模拟预编码，将相位修正矩阵与每个载波上发生相位偏移的模拟预编码矩阵相乘即为所设计的模拟预编码矩阵；最后，在基带处利用等效低维度的信道状态信息设计数字预编码矩阵，与前面得到模拟预编码相乘，即得混合预编码设计方案。

【技术实现步骤摘要】
一种用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法
：本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法。
技术介绍
：混合预编码是大规模MIMO的一个研究热点，当天线数目很大(成百上千)时，由于功耗和成本的问题，不可能为每根天线配备特定的射频链路(RF)，那么研究在使用少量RF的情况下部署大规模MIMO就变得非常的有意义。混合预编码在射频端利用低成本的移相器控制发射天线上信号的相位，实现模拟预编码，既降低了硬件成本，又减少系统所需的射频数量；在基带处利用等效低维度的信道状态信息(CSI)控制信号的幅度和相位，实现数字预编码。因此混合预编码可以在RF数远小于天线数目的情况下，实现大规模MIMO。目前，对混合预编码的研究主要集中在单载波系统，针对宽带系统混合预编码的研究工作相对较少，而且当前宽带混合预编码的设计是在假定每个子载波上的模拟预编码是相同条件下进行研究的，这只适合带宽与中心载频比相对较小的情况下。但是考虑到未来毫米波(30～300GHz)的应用，上述假设在实际中往往是不现实的。这是因为在宽带波束形成网络中的移相器通常是利用延迟线来实现，因而导致同样的延迟在不同载波上产生不同的相位，也就是说尽管我们只设置了一个模拟预编码矩阵，但是它在不同载波上会产生相位偏移。因此实际中不同载波上的模拟预编码是不同的，这会带来不可忽视的性能损失。在当前的宽带系统混合预编码设计的研究中，很少考虑实际系统中的硬件实现的非理想特性；在过去带宽较窄的情况下，移相器的相位随频率的变化不算太大，其影响可忽略。而当前的毫米波技术的是超宽带的，例如在60GHz频段，带宽一般为2G。另一方面，在如此高频段，为了保证系统的性能，对硬件的加工精度要求非常精细，导致毫米波器件价格很高，因此需要中频链路。而常见的中频为2.75GHz，这会导致带宽与载频比接近0.5～1.5，因此相位偏移对模拟预编码的影响就变得不可忽略了。综上所述，研究适用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法是很有必要的。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于针对以上问题，提出了一种用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法，该方法可以提高实际宽带系统的混合预编码性能。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案来实现：一种用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法，包括以下步骤：1)在射频端，首先假定所有载波上的模拟预编码相同，以最大化系统频谱效率为准则，利用完整的信道状态信息设计理想的模拟预编码矩阵；2)根据实际中移相器的特性，确定每个载波上发生相位偏移的模拟预编码矩阵，在数字域设计相位修正矩阵，修正实际中不同载波上的模拟预编码发生的相位偏移，以逼近步骤1)中得到的理想模拟预编码矩阵，将相位修正矩阵与每个载波上发生相位偏移的模拟预编码矩阵相乘即为所设计的模拟预编码矩阵；3)在基带处，利用等效低维度的信道状态信息设计数字预编码矩阵；4)将步骤2)中得到的模拟预编码和步骤3)中得到的数字预编码相乘，即得混合预编码设计方案。本专利技术进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法如下：考虑一个下行宽带大规模MIMO系统，基站通过NRF根射频，Nt根天线，发送Ns个数据流，用户配置Nr根天线，其射频数与天线数相同，共有K个子载波；FBB[k]表示第k个载波上数字基带预编码矩阵，FRF是表示所有载波上的模拟预编码矩阵，在接收端，W[k]表示接收合并矩阵，其中，Nt＞＞NRF；101)第k个载波上的接收信号：y[k]＝WH[k]H[k]FRFFBB[k]s[k]+WH[k]n[k](1)其中，H[k]表示第k个载波上的信道，表示第k个载波上的噪声；102)根据上一步中的接收信号，基站端以最大化互信息为目标设计模拟预编码和数字预编码描述如下：其中，是模拟预编码的可行集，即一组所有元素幅度都相同的Nt×NRF矩阵集；103)求解上述优化问题，获得理想的模拟预编码矩阵：其中R为信道相关矩阵。本专利技术进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法如下：201)根据实际中移相器的特性，确定每个载波上发生相位偏移的模拟预编码矩阵：将步骤1)中得到模拟预编码矩阵作为中心载频上的模拟预编码矩阵，则实际中第k个载波上的模拟预编码矩阵可表示为：其中，表示，FRF是中心载频上的模拟预编码矩阵，表示第k个载波上的相位偏差矩阵，表示矩阵A与矩阵B的Hadamard积；202)在数字域对相位偏移做修正：修正方案可描述为：其中可在步骤1)求得，当第k个载波的频率给定后，由公式(6)计算得FRF[k]，因此，求解P2，得到一个众所周知最小均方解：其中表示矩阵A的伪逆；203)将相位修正矩阵与每个载波上发生相位偏移的模拟预编码矩阵相乘即为所设计的模拟预编码矩阵，即FRF[k]Fc[k]。本专利技术进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法如下：经过步骤2)确定所有载波上的模拟预编码和相位修正矩阵后，基带处的等效低维度的信道状态信息表示为：在基带处，对等效低维度的信道状态信息进行SVD分解可得数字预编码，其中Veff[k]为等效信道Heff[k]的SVD分解的右奇异矩阵。本专利技术进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法如下：将步骤2)中得到的模拟预编码和步骤3)中得到的数字预编码相乘，即得混合预编码设计方案：F＝FRF[k]Fc[k]FBB[k](10)。与现有技术相比，本专利技术具有如下的优点：本专利技术首次考虑了宽带波束形成网络中移相器对频率变化较为敏感的性能，设计出了更符合实际系统的混合预编码方案。与传统混合预编码方案相比，本专利技术在设计理想模拟预编码的基础上，针对不同载波上由于移相器产生相位偏移而导致其上的模拟预编码不同的实际情况，提出了一种数字域设置相位修正矩阵来修正相位偏移的有效方案，从而提升了系统整体的频谱效率，极大地改善了边缘载波的频率效率。附图说明：图1为不同方案对应的每个载波上的频谱效率对比图；图2为不同方案对应的所有载波上的平均频谱效率对比图。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述：本专利技术提供的用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法，其主要思路是：第一步，在射频端，首先假定所有载波上的模拟预编码相同，利用完整的信道状态信息设计理想的模拟预编码矩阵；第二步，根据实际中移相器的特性，确定每个载波上发生相位偏移的模拟预编码矩阵，在数字域设计相位修正矩阵，修正实际中不同载波上的模拟预编码发生的相位偏移，以逼近第一步中得到的理想模拟预编码矩阵，将相位修正矩阵与每个载波上发生相位偏移的模拟预编码矩阵相乘即为所设计的模拟预编码矩阵；第三步，在基带处，利用等效低维度的信道状态信息设计数字预编码矩阵；第四步，将第二步中得到的模拟预编码和第三步中得到的数字预编码相乘，即得混合预编码设计方案。具体实施方案如下：考虑一个下行宽带大规模MIMO系统，基站通过NRF根射频，Nt(Nt＞＞NRF)根天线，发送Ns个数据流，用户配置Nr根天线，其射频数与天线数相同，共有K个子载波。FBB[k]表示第k个载波上数字基带预编码矩阵，FRF是表示所有载波上的模拟预编码矩阵，在接收端，W[k]表示接收合并矩阵；在上述基础上，第k个载波上的接收信号可以表示为y[k]＝WH[k]本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在射频端，首先假定所有载波上的模拟预编码相同，以最大化系统频谱效率为准则，利用完整的信道状态信息设计理想的模拟预编码矩阵；2)根据实际中移相器的特性，确定每个载波上发生相位偏移的模拟预编码矩阵，在数字域设计相位修正矩阵，修正实际中不同载波上的模拟预编码发生的相位偏移，以逼近步骤1)中得到的理想模拟预编码矩阵，将相位修正矩阵与每个载波上发生相位偏移的模拟预编码矩阵相乘即为所设计的模拟预编码矩阵；3)在基带处，利用等效低维度的信道状态信息设计数字预编码矩阵；4)将步骤2)中得到的模拟预编码和步骤3)中得到的数字预编码相乘，即得混合预编码设计方案。

【技术特征摘要】
1.一种用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在射频端，首先假定所有载波上的模拟预编码相同，以最大化系统频谱效率为准则，利用完整的信道状态信息设计理想的模拟预编码矩阵；2)根据实际中移相器的特性，确定每个载波上发生相位偏移的模拟预编码矩阵，在数字域设计相位修正矩阵，修正实际中不同载波上的模拟预编码发生的相位偏移，以逼近步骤1)中得到的理想模拟预编码矩阵，将相位修正矩阵与每个载波上发生相位偏移的模拟预编码矩阵相乘即为所设计的模拟预编码矩阵；3)在基带处，利用等效低维度的信道状态信息设计数字预编码矩阵；4)将步骤2)中得到的模拟预编码和步骤3)中得到的数字预编码相乘，即得混合预编码设计方案。2.根据权利要求1所述的一种用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法如下：考虑一个下行宽带大规模MIMO系统，基站通过NRF根射频，Nt根天线，发送Ns个数据流，用户配置Nr根天线，其射频数与天线数相同，共有K个子载波；FBB[k]表示第k个载波上数字基带预编码矩阵，FRF是表示所有载波上的模拟预编码矩阵，在接收端，W[k]表示接收合并矩阵，其中，101)第k个载波上的接收信号：y[k]＝WH[k]H[k]FRFFBB[k]s[k]+WH[k]n[k](1)其中，H[k]表示第k个载波上的信道，表示第k个载波上的噪声；102)根据上一步中的接收信号，基站端以最大化互信息为目标设计模拟预编码和数字预编码描述如下：其中，是模拟预编码的可行集，即一组所有元素幅度都相同的Nt×NRF矩阵集；103)求解上述优化问题，获得理想的模拟预编码矩阵：

【专利技术属性】
技术研发人员：李国兵，赵怀龙，张国梅，吕刚明，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61