基于统计信道信息的毫米波MIMO系统混合预编码方法技术方案

本发明专利技术提出了一种基于统计信道信息的毫米波MIMO系统混合预编码方法，主要解决现有技术导频开销大及计算复杂度高的问题。其实现方案包括：1)在RF链路与天线之间采用混合连接的结构下，建立毫米波MIMO多用户系统通信模型；2)利用统计信道信息，根据串行干扰消除思想设计各个子阵列的最佳预编码矩阵；3)在各元素恒模的限制条件下，根据最佳预编码矩阵设计模拟预编码矩阵；4)在模拟预编码处理之后的等效信道基础上，利用块对角化算法得到数字预编码矩阵，完成混合预编码设计。本发明专利技术导频开销小，计算复杂度低，可用于毫米波MIMO多用户系统中利用统计信道信息进行混合预编码设计。

Hybrid precoding method for millimeter wave MIMO system based on statistical channel information

【技术实现步骤摘要】
基于统计信道信息的毫米波MIMO系统混合预编码方法
本专利技术属于无线通信
，特别涉及一种毫米波MIMO系统的混合预编码方法，可用于毫米波MIMO多用户系统中利用统计信道信息进行混合预编码设计。
技术介绍
为了满足5G移动通信系统中增强移动宽带eMBB场景下超高传输速率的需求，采用30～300GHz毫米波通信技术和大规模多发多收MIMO技术相结合，实现高数据传输速率，缓解当前300M～6GHz低频段的频谱资源紧张压力。由于毫米波波长较短，应用于无线通信系统中天线的物理尺寸比较小，因此可以在发射端和接收端配置大量的天线，运用MIMO技术，深入挖掘空间维度资源，提供更大的增益以克服毫米波波长较短带来的路径损耗较大的问题。因而毫米波MIMO技术已成为当前研究热点之一。预编码技术是MIMO无线通信系统中的一项重要信号处理技术，它是指在发射端利用信道状态信息，对待发送的信号进行预处理，使其更好地和信道状况匹配，以提高系统容量或降低系统误码率。毫米波MIMO通信系统中，由于发端配置有大量的天线，出于硬件成本和实现复杂度的考虑，无法为每根天线配置一条射频RF链路来实现传统的全数字预编码处理，因此可通过采用模拟和数字相结合的混合模数预编码方案来避免RF链路数目过多造成的功率损耗。根据有限的RF链路与大量的天线之间的连接方式不同，现有的毫米波MIMO系统的混合预编码方案多为在全连接结构和部分连接结构下设计，目前有少量方案在混合连接结构下设计。其中：所述全连接结构，是指每条RF链路和所有的天线相连，可实现全部天线的阵列增益，但是由于需要较多的相移器连接RF链路与天线，带来的能量损耗较大。所述部分连接结构，是指每条RF链路只与一部分天线连接，损失了一部分的阵列增益，但在实现上所需的硬件设备，即相移器也比全连接型要少，因此可实现更高的能量效率。所述混合连接结构，是将天线和RF链路划分为相同数目的子阵列，在各子阵列内部，RF链路与天线之间采用全连接结构，可以实现频谱效率和能量效率的折衷。在上述结构下，现有的毫米波MIMO系统的混合预编码方案一般有两种思路：一是模拟预编码部分和数字预编码部分联合优化。例如基于正交匹配追踪的稀疏信号恢复算法、交替最小化算法、梯度追踪算法等，这些算法通过多次迭代，每次都需要更新模拟和数字部分，最终得到接近最优的混合预编码方案。这类算法由于每次迭代都需要计算大规模矩阵的逆，计算复杂度一般都很高。二是模拟预编码部分和数字预编码部分分开考虑。这类算法大都以一个恒模的矩阵作为模拟部分的候选矢量集合，根据最优预编码矩阵从中得到模拟预编码矩阵，然后在模拟部分处理之后的等效信道上，进行数字部分的设计。而以信道导向矢量作为码本的方案对模拟器件相移器的要求非常高，现实中一般不可达到。此外，由于以上方案都是假设基站可获取完整的瞬时信道状态信息CSI，但实际上在毫米波大规模MIMO系统中，完成信道估计需要较长的训练序列，导频开销大，因此基于瞬时CSI的混合预编码设计是难以实现的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有混合预编码方案的不足，在RF链路和天线之间采用混合连接的结构下，提出一种基于统计信道信息的毫米波MIMO系统混合预编码方法，以减小计算复杂度，降低导频开销。本专利技术的技术思路是：在混合连接结构下，以系统容量最大化为优化目标，基于串行干扰消除SIC的思想，根据统计信道信息即信道矩阵的协方差矩阵设计最佳预编码矩阵；在满足各元素恒模的限制条件下，得到模拟预编码矩阵；在模拟预编码处理之后的等效信道上，根据块对角化的思想设计数字预编码矩阵，消除多用户之间的干扰，从而实现混合预编码。根据上述思路，本专利技术的实现步骤包括如下：(1)建立毫米波MIMO多用户通信系统模型：(1a)配置有大规模MIMO的基站作为发射端，给接收端的多个用户发送多流数据传输；(1b)设基站发射端的发射天线数目为Nt，RF链路数目为射频RF链路与发射天线之间采用混合连接的方式，以将发射天线和RF链路划分为D个子阵列，每个子阵列内部包含N＝Nt/D根发射天线和条RF链路；(1c)设接收端用户数目为K，Hi为发射端到用户i的下行信道矩阵，各用户的信道矩阵共同构成系统整体的信道矩阵H，即信道协方差矩阵为R＝H*H，其中，T表示转置，*号表示共轭转置；(2)根据当前子阵列d对应的子信道协方差矩阵Rd，设计当前子阵列的最佳预编码矩阵Fd，d＝1,2,...D；(3)去除已进行最佳预编码部分的子阵列的影响，得到更新后的信道协方差矩阵：其中，表示前d个子阵列的容量，表示维度为Nt×Nt的单位矩阵，P表示发射功率，σ2表示噪声的方差；(4)重复上述(2)至(3)共D次，得到所有子阵列的最佳预编码矩阵：(5)在模拟预编码矩阵各元素恒模的限制条件下，根据最佳预编码矩阵F设计模拟预编码矩阵FRF，以实现对高维度瞬时信道信息的降维；(6)在模拟预编码矩阵降维后的等效信道基础上，采用块对角化预编码算法，设计数字预编码矩阵FBB。本专利技术与现有毫米波MIMO系统的混合预编码算法相比具有以下优点：1、导频开销小。本专利技术基于统计信道信息，能够在较少的导频开销下，根据串行干扰消除的思想设计最佳预编码矩阵，且在降维后的等效信道信息下进行数字预编码的设计，从而避免了系统对高维度瞬时信道信息的需求，减少了导频开销。2、计算复杂度低。本专利技术将混合预编码方法分为三个阶段，先设计最佳预编码矩阵，再在各元素恒模限制下得到模拟预编码部分，并在等效信道的基础上设计数字预编码部分，此过程无需多次迭代求解高维度矩阵的逆，大大降低了混合预编码的复杂度。附图说明图1为本专利技术的实现流程图；图2本专利技术中的毫米波MIMO多用户通信系统模型图；图3为本专利技术中的DFT码本波束方向图；图4为本专利技术与现有方法的频谱效率对比图。具体实施方式以下结合附图，对本专利技术的具体实施方案和效果作进一步的解释和说明：参照图1，本实例的实现步骤如下：步骤1：建立毫米波MIMO多用户通信系统模型。如图2所示，配置有大规模MIMO的基站作为发射端，给接收端的多个用户发送多流数据传输，在发射端进行模拟预编码和数字预编码相结合的混合预编码设计，设计出毫米波MIMO多用户通信系统模型，具体过程如下：(1.1)设基站发射端的发射天线数目为Nt，RF链路数目为且RF链路与发射天线之间采用混合连接的方式；将发射天线和RF链路均划分为D个子阵列，每个子阵列内部包含N＝Nt/D根发射天线和条RF链路；(1.2)设接收端用户数目为K，每个用户的接收天线数目为Nr，RF链路数目为假设接收端用户天线数目和RF链路数目相等，即(1.3)建立收发端之间的通信链路模型：设用户i的下行信道矩阵接收信号可表示为：其中，Hi为发射端到用户i的下行信道本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于统计信道信息的毫米波MIMO系统混合预编码方法，其特征在于，包括如下：/n(1)建立毫米波MIMO多用户通信系统模型：/n(1a)配置有大规模MIMO的基站作为发射端，给接收端的多个用户发送多流数据传输；/n(1b)设基站发射端的发射天线数目为N

【技术特征摘要】
1.一种基于统计信道信息的毫米波MIMO系统混合预编码方法，其特征在于，包括如下：
(1)建立毫米波MIMO多用户通信系统模型：
(1a)配置有大规模MIMO的基站作为发射端，给接收端的多个用户发送多流数据传输；
(1b)设基站发射端的发射天线数目为Nt，RF链路数目为射频RF链路与发射天线之间采用混合连接的方式，以将发射天线和RF链路划分为D个子阵列，每个子阵列内部包含N＝Nt/D根发射天线和条RF链路；
(1c)设接收端用户数目为K，Hi为发射端到用户i的下行信道矩阵，各用户的信道矩阵共同构成系统整体的信道矩阵H，即信道协方差矩阵为R＝H*H，其中，T表示转置，*号表示共轭转置；
(2)根据当前子阵列d对应的子信道协方差矩阵Rd，设计当前子阵列的最佳预编码矩阵Fd，d＝1,2,...D；
(3)去除已进行最佳预编码部分的子阵列的影响，得到更新后的信道协方差矩阵：



其中，表示前d个子阵列的容量，表示维度为Nt×Nt的单位矩阵，P表示发射限制，σ2表示噪声的方差；
(4)重复上述(2)至(3)共D次，得到所有子阵列的最佳预编码矩阵：



(5)在模拟预编码矩阵各元素恒模的限制条件下，根据最佳预编码矩阵F设计模拟预编码矩阵FRF；
(6)在模拟预编码处理后的等效信道基础上，采用块对角化预编码算法，设计数字预编码矩阵FBB。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2)中设计当前子阵列的最佳预编码矩阵Fd，实现如下：
(2a)从当前信道协方差矩阵R中取当前子阵列d对应的N×N维子信道协方差矩阵Rd：
Rd＝R(N(d-1)+1:Nd,N(d-1)+1:Nd),d＝1,2,...,D；
(2b)设计当前子阵列的最佳预编码矩阵：
对子矩阵Rd进行特征值分解，表示为Rd＝VΣV*，取其特征向量V的前S列，构成当前子阵列的最佳预编码矩阵：Fd＝V(:,1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇朝，陆艺青，刘灿，张锐，
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