一种基于多用户毫米波MIMO-OFDM系统的混合预编码设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多用户毫米波MIMO‑OFDM系统的混合预编码设计方法，包括以下步骤：第一步：建立MIMO‑OFDM系统模型；每一个用户都共用所有M个子载波，一个基站拥有N

【技术实现步骤摘要】
一种基于多用户毫米波MIMO-OFDM系统的混合预编码设计方法
本专利技术涉及无线电传输系统
，具体为一种基于多用户毫米波MIMO-OFDM系统的混合预编码设计方法。
技术介绍
随着将来移动用户对数据需求量的不断增加，当前基于低频微波通信的蜂窝网络(LongTermEvolution，LTE)将不能满足如此巨大的数据需求，因此工业界和学术界提出采用具有超宽带宽的高频毫米波通信技术。由于能够提供更宽的带宽和更高的频谱效率，毫米波通信被认为是未来通信中最具有前途的无线通信技术之一。众所周知，在传统的MIMO系统中，每个天线通常需要一个专用的射频(RF)链来实现全数字信号处理。这样在毫米波大规模MIMO系统中使用大量的天线将需要同样数量的RF链，这将导致无法负担的硬件成本和能源消耗。为了解决这个问题，混合预编码(HP)在没有明显性能损失的情况下，显著减少毫米波大规模MIMO系统中所需的RF链的数量。HP的核心思想是将全数字预编码器分解为高维模拟预编码器(通过模拟电路实现)来增加天线阵列增益，而将低维数字预编码器(通过少量射频链实现)来消除干扰。MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统仍然无能为力，为了解决MIMO系统中的频率选择性衰落问题，可以引入正交频分多址技术(OFDMA)，形成MIMO-OFDMA系统。现有的大部分工作都是基于单用户的窄带MIMO-OFDMA系统的混合预编码设计，为了充分发挥毫米波频谱范围大的优势和结合实际中的使用情况，研究多用户毫米波MIMO-OFDM系统的混合预编码设计具有深远的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于多用户毫米波MIMO-OFDM系统的混合预编码设计方法，解决了
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于多用户毫米波MIMO-OFDM系统的混合预编码设计方法，包括以下步骤：第一步：建立MIMO-OFDM系统模型；每一个用户都共用所有M个子载波，一个基站拥有NTX个天线和NRX个射频链，一共有K个单天线用户，其中NRF≤NTX、K≤NRF；第二步：建立宽带毫米波信道模型；考虑到毫米波的信道特点，采用拥有L条散射路径的几何信道模型，每一个用户和基站之间拥有一条散射路径；第三步：多用户毫米波MIMO-OFDM系统的混合预编码；因为模拟波束成形设计中使用的相移器是数字控制的，可选角度都是量化的，因此可以通过码本设计进行角度设计。优选的，为了解决宽带情况下的预编码问题，分全连接结构和子阵列部分连接结构两种情况进行。优选的，在全连接结构中，每一个射频链都通过移相器组与所有的天线进行连接。优选的，在子阵列部分连接结构中，天线NTX根据射频链NRX分为天线数量为NSB＝NTX/NRF的子阵列，每一个射频链通过移相器组与天线子阵列进行连接。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：第一：有别于主要讨论窄带系统的情形，讨论了宽带系统的情况，更好的发挥毫米波频谱宽的优势。第二，有别于主要讨论单用户MIMO系统的情形，考虑了实际使用情况下多用户的情况，讨论了多用户MIMO-OFDMA系统。第三：整体系统基于混合预编码，混合预编码(HP)在没有明显性能损失的情况下，显著减少毫米波大规模MIMO系统中所需的RF链的数量，减少硬件成本和能源消耗。大量实验数据表明，本专利技术中采用的基于码本的全连接和部分连接混合预编码在性能上很好的实现了向全数字预编码性能的逼近，很大程度上发挥出了毫米波的通信优势和降低系统硬件成本和能源消耗。附图说明图1是本专利技术多用户毫米波MIMO-OFDM系统的混合预编码系统图；图2是本专利技术全连接结构下模拟预编码设计的流程图；图3是本专利技术部分连接结构下模拟预编码设计的流程图；图4是在发射天线数一定时，随着信噪比的变化，全数字预编码和本专利技术中两种结构下预编码效果比较图；图5是在信噪比一定时，随着基站发射天线数的变化，全数字预编码和本专利技术中两种结构下预编码效果比较图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参阅图1至图5，本专利技术提供一种技术方案：本专利技术的设计整体思路是，将多用户毫米波MIMO-OFDMA系统分为全连接和子阵列部分连接两种结构进行分析。第一步：建立MIMO-OFDM系统模型；每一个用户都共用所有M个子载波，一个基站拥有NTX个天线和NRX个射频链，一共有K个单天线用户，其中NRF≤NTX、K≤NRF。在全连接结构中，每一个射频链都通过移相器组与所有的天线进行连接，在子阵列部分连接结构中，天线NTX根据射频链NRx分为天线数量为NSB＝NTX/NRF的子阵列，每一个射频链通过移相器组与天线子阵列进行连接。在m子载波处为所有K用户接收的下行链路信号如(1)所示，y[m]＝H[m]FRFFBB[m]x[m]+n[m]\*MERGEFORMAT(1)其中表示从基站到K个用户下行链路信道矩阵、表示宽带模拟预编码矩阵、表示第m个子载波数字基带预编码矩阵、x[m]＝[x1[m]，x2[m]，...，xK[m]]T表示传输信号向量，满足E{x[m]x[m]H}＝Diag{σ1[m]，...，σK[m]}，σK[m]表示第m个子载波与第k个用户之间的传输能量、n[m]＝[n1[m]，n2[m]，...，nK[m]]T表示加性高斯白噪声向量，nK[m]服从复高斯分布为了满足总功率的约束条件，FRF和FBB应该满足条件在全连接结构中在子阵列部分结构中FRF具有块对角矩阵的形式，即：其中表示与第r个射频链相关的NSB×1的模拟波束成形向量。、通过第m个子载波，第k个用户收到的信号干扰加噪声比(SINR)可以表示为(3)式：其中SNRK[m]代表信噪比，第m个载波与第k个用户之间可以实现的速率可以表示为(4)式：Rk[m]＝E{log2(1+SINRk[m])}\*MERGEFORMAT(4)第二步：建立宽带毫米波信道模型；考虑到毫米波的信道特点，采用拥有L条散射路径的几何信道模型，每一个用户和基站之间拥有一条散射路径。在这种信道模型中，第k个用户和基站之间的信道延迟向量可以表示为式(5)：其中在全连接结构中N＝NTX，在子阵列部分连接结构中N＝NSB、αk，l表示第l条路径相对于第k个用户的增益，服从独立同分布αk，l～CN(0，1)、θk，l∈[0，2π]表示第l条路径相对于第k个用户的出发角(AOD)、p(τ)表示脉冲形成滤波器在时间τ处的响应、a(θk，l)是相对于角度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多用户毫米波MIMO-OFDM系统的混合预编码设计方法，其特征在于：包括以下步骤：/n第一步：建立MIMO-OFDM系统模型；/n每一个用户都共用所有M个子载波，一个基站拥有N

【技术特征摘要】
1.一种基于多用户毫米波MIMO-OFDM系统的混合预编码设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：建立MIMO-OFDM系统模型；
每一个用户都共用所有M个子载波，一个基站拥有NTX个天线和NRX个射频链，一共有K个单天线用户，其中NRF≤NTX、K≤NRF；
第二步：建立宽带毫米波信道模型；
考虑到毫米波的信道特点，采用拥有L条散射路径的几何信道模型，每一个用户和基站之间拥有一条散射路径；
第三步：多用户毫米波MIMO-OFDM系统的混合预编码；
因为模拟波束成形设计中使用的相移器是数字控制的，可选角度都是量化的，因此可以通过码本设计进行角度设计。

【专利技术属性】
技术研发人员：孙钢灿，谢金坤，郝万明，赵飞，
申请(专利权)人：郑州大学，郑州大学产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41