基于分布式部分连接的大规模MIMO混合预编码方法技术

本发明专利技术公开了基于分布式部分连接的大规模MIMO混合预编码方法，在给定发射天线数和射频链路数条件下，通过减少每个发射天线子阵列的天线数将全体天线划分为更多的逻辑子阵列，每个射频链路能连接多个分布的子阵列。对用户终端的发射天线子阵列增益排序，并根据最大化用户终端总体发射天线子阵列增益原则将用户终端与对应发射天线子阵列匹配，根据所得匹配结果和下行信道矩阵H计算模拟预编码矩阵F

【技术实现步骤摘要】
基于分布式部分连接的大规模MIMO混合预编码方法
本专利技术属于无线通信
，特别涉及基于分布式部分连接的大规模MIMO混合预编码方法。
技术介绍
贝尔实验室Marzetta等提出的大规模MIMO(massivemultiple-inputmultiple-output)技术，通过在基站配置数十至数百个天线，并结合简单的发射预编码和接收合并处理，能极大提升系统频谱效率和功率效率，遂已成为第五代移动通信系统(5G)等无线通信系统的关键技术。理论上，大规模MIMO需采用全数字预编码以获取最优系统性能。然而，基带的数字化处理要求天线阵列每个阵元具有独立的射频链路，它包含数模转换器、混频器和功率放大器等。大规模MIMO阵元数量巨大，导致复杂度、成本和功耗相对于传统MIMO会急剧上升，这在很大程度上限制了大规模MIMO的实际应用。由此，研究人员提出了射频链路数少于基站天线数的模数混合预编码方案。其基本思想是：借助较少的射频链路，将预编码分解为基带低维数字预编码和射频高维模拟预编码两个部分，且后者通常使用简单的移相器实现，从而以较小的性能损失达到大幅降低射频链路数量和处理复杂度的目的。图1给出了通用的大规模MIMO模数混合预编码器的全连接结构和部分连接结构示意。早期的大部分模数混合预编码都针对全连接结构设计。在图1a所示全连接结构中，每个射频链路通过移相器与所有天线相连，故所需移相器数量等于射频链路数与天线数之积。当天线很多时，所需移相器将达到数百甚至上千，从而导致极高的能耗和处理复杂度。因此，又提出了图1b所示基于部分连接结构的模数混合预编码，即每个射频链路仅与某个天线子阵列中所有天线相连，故所需移相器数等于天线数。已有研究表明，部分连接结构能获得比全连接结构更好的成本、复杂度和性能折衷。然而，已有研究主要存在两点不足：1)几乎都针对单用户系统研究，所用奇异值分解等矩阵分解方法难以推广至多用户情形，不能实现多用户复用增益；2)多采用迭代或搜索类等高复杂度算法，难以应用于实际系统。文献[张雷,周晓锋,代红.大规模MIMO系统模数混合预编码方法[P].中国:ZL201611057987.6,2017-08-15.]针对采用部分连接结构的多用户大规模MIMO系统，提出了“基于空口信道相位信息的块对角模拟预编码+基于等效信道矩阵的迫零数字预编码”的模数混合预编码方法。该方法具有简单的闭合解且能在模拟域实现等增益发送的子阵列增益，因而能以极低的复杂度获得较好的性能。但是，上述技术考虑的部分连接结构都是集中式的，即每个射频链路仅通过一组移相器连接一个子阵列，组成子阵列的天线固定不变且集中于同一位置，子阵列的天线数等于发射天线数与射频链路数之比。在大规模MIMO系统中，通常子阵列内部的天线相距较近，对应的空口信道系数相关性较高，导致获得的子阵列增益会产生较大波动，从而影响整体的预编码性能。此外，文献[张雷,周晓锋,代红.大规模MIMO系统模数混合预编码方法[P].中国:ZL201611057987.6,2017-08-15.]针对在设计多用户预编码方案时，固化了用户和子阵列之间的匹配关系，未能充分利用用户的不同子阵列增益存在的差异，性能还有较大提升空间。
技术实现思路
本专利技术提供基于分布式部分连接的大规模MIMO混合预编码方法，在给定发射天线数和射频链路数条件下，通过减少每个发射天线子阵列的天线数将全体天线划分为更多的逻辑子阵列，以使每个射频链路能连接多个分布的发射天线子阵列，从而提供更大的空间分集自由度；在更大的空间分集自由度基础上，再利用基站端不同发射天线子阵列到用户终端的信道增益存在差异这一事实，对用户终端的发射天线子阵列增益排序，并根据最大化用户终端总体发射天线子阵列增益原则将用户终端的信道系数相位信息与对应发射天线子阵列的移相操作匹配，从而显著提升系统的频谱效率。本专利技术通过下述技术方案实现：基于分布式部分连接的大规模MIMO混合预编码方法，所述方法在基于分布式部分连接结构的大规模MIMO模数混合预编码器中使用，所述基于分布式部分连接结构的大规模MIMO模数混合预编码器包括数字预编码器、射频链路、模拟预编码器，模拟预编码器又包括移相器和分布式连接器，所述大规模MIMO模数混合预编码方法包括以下步骤：S1、基站设置NTX个发射天线和NRF个射频链路，将基站的NTX个发射天线划分为N(N＝DNRF，D∈Z+)个子阵列，每个发射天线子阵列的天线数为M2＝NTX/N，所述每个射频链路通过分布式连接器与D个发射天线子阵列相连，每个射频链路对应M1＝NTX/NRF＝DM2个发射天线；S2、通过模拟预编码器计算模拟预编码矩阵FRF：每个射频链路将根据模拟预编码矩阵FRF的优化结果与D个发射天线子阵列相连；模拟预编码矩阵FRF通过下行信道矩阵H计算得到，基站可通过时分双工系统的上下行链路互易性或频分双工系统的用户终端反馈获取阶数为K×NTX的下行信道矩阵H：根据混合预编码器的分布式部分连接结构，将下行信道矩阵H划分为N个阶数为K×M2的子矩阵Hn(n＝1,2,…,N)；由此，下行信道矩阵H可表示为H＝[H1H2…HN]子矩阵Hn可视为第n个发射天线子阵列到K个用户终端的下行信道矩阵，可表示为上式中，hn,km(k＝1,2,…,K,m＝1,2,…,M2)表示基站第(n-1)M2+m个发射天线到第k个用户终端的信道系数，|hn,km|和分别表示hn,km的幅度和相位；在部分连接结构中使用移相器实现模拟预编码的约束条件下，需根据一定准则从Hn中选择一个合适的行向量并提取hn,k各元素的相位信息以构造发射天线子阵列n对应的模拟预编码向量fk,n，即上式中，算符“H”表示向量的共轭转置；由此，可认为通过该准则在用户终端k和发射天线子阵列n之间建立了一个匹配关系；匹配结果决定了用户终端k和发射天线子阵列n的具体数值(k,n)，通过(k,n)值查找到子矩阵Hn的第k个行向量，该行向量包含的各信道系数的相位即决定了fk,n中各元素指数位置相位的具体数值，即移相器对各对应天线移相操作的具体相位值；计算用户终端k获得的总体发射天线子阵列增益，通过最大化用户终端k总体发射天线子阵列增益的原则建立用户终端k和D个发射天线子阵列之间的匹配关系；S3、流入基于分布式部分连接结构的大规模MIMO模数混合预编码器的数据流1至数据流K通过数字预编码器根据下行信道矩阵H和模拟预编码矩阵FRF计算数字预编码矩阵FBB：设等效信道矩阵G＝HFRF，其阶数为K×NRF；求G的伪逆矩阵WW＝GH(GGH)-1矩阵W的阶数为NRF×K；记W的第k列为wk(k＝1,2,…,K)，其Frobenius范数为||wk||；以||wk||为对角元构造一对角矩阵Λ＝diag{||w1||,||w2||,…,||wK||}，则数字预编码矩阵FBB可通过下式计算FBB＝WΛ-1；S4、根据模拟预编码矩阵FRF和数字预编码矩阵FBB对输入的多路数据流进行模数混合预本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于分布式部分连接的大规模MIMO混合预编码方法，其特征在于，所述方法在基于分布式部分连接结构的大规模MIMO模数混合预编码器(201)中使用，所述基于分布式部分连接结构的大规模MIMO模数混合预编码器(201)包括数字预编码器(301)、射频链路(302)、模拟预编码器(303)，模拟预编码器(303)又包括移相器(304)和分布式连接器(305)，所述大规模MIMO模数混合预编码方法包括以下步骤：/nS1、基站设置N

【技术特征摘要】
1.基于分布式部分连接的大规模MIMO混合预编码方法，其特征在于，所述方法在基于分布式部分连接结构的大规模MIMO模数混合预编码器(201)中使用，所述基于分布式部分连接结构的大规模MIMO模数混合预编码器(201)包括数字预编码器(301)、射频链路(302)、模拟预编码器(303)，模拟预编码器(303)又包括移相器(304)和分布式连接器(305)，所述大规模MIMO模数混合预编码方法包括以下步骤：
S1、基站设置NTX个发射天线和NRF个射频链路(302)，将基站的NTX个发射天线划分为N(N＝DNRF，D∈Z+)个子阵列，其中Z+表示正整数集合，每个发射天线子阵列的天线数为M2＝NTX/N，所述每个射频链路通过分布式连接器(305)与D个发射天线子阵列相连，每个射频链路对应M1＝NTX/NRF＝DM2个发射天线；
S2、通过模拟预编码器(303)计算模拟预编码矩阵FRF：每个射频链路将根据模拟预编码矩阵FRF的优化结果并通过分布式连接器(305)与D个发射天线子阵列相连；
模拟预编码矩阵FRF通过下行信道矩阵H计算得到，基站可通过时分双工系统的上下行链路互易性或频分双工系统的用户终端反馈获取阶数为K×NTX的下行信道矩阵H：
根据混合预编码器的分布式部分连接结构，将下行信道矩阵H划分为N个阶数为K×M2的子矩阵Hn(n＝1,2,...,N)；由此，下行信道矩阵H可表示为
H＝[H1H2…HN]
子矩阵Hn可视为第n个发射天线子阵列到K个用户终端的下行信道矩阵，可表示为



上式中，hn,km(k＝1,2,…,K,m＝1,2,...,M2)表示基站第(n-1)M2+m个发射天线到第k个用户终端的信道系数，|hn,km|和分别表示hn,km的幅度和相位；
在部分连接结构中使用移相器(304)实现模拟预编码的约束条件下，需根据一定准则从Hn中选择一个合适的行向量并提取hn,k各元素的相位信息以构造发射天线子阵列n对应的模拟预编码向量fk,n，即



上式中，算符“H”表示向量的共轭转置；由此，可认为通过该准则在用户终端k和发射天线子阵列n之间建立了一个匹配关系；匹配结果决定了用户终端k和发射天线子阵列n的具体数值(k,n)，通过(k,n)值查找到子矩阵Hn的第k个行向量，该行向量包含的各信道系数的相位即决定了fkn中各元素指数位置相位的具体数值，即移相器对各对应天线移相操作的具体相位值；计算用户终端k获得的总体发射天线子阵列增益，通过最大化用户终端k总体发射天线子阵列增益的原则建立用户终端k和D个发射天线子阵列之间的匹配关系及分布式连接器的具体连接关系；
S3、输入基于分布式部分连接结构的大规模MIMO模数混合预编码器(201)的数据流1至数据流K，通过数字预编码器根据下行信道矩阵H和模拟预编码矩阵FRF计算数字预编码矩阵FBB：
设等效信道矩阵G＝HFRF，其阶数为K×NRF；求G的伪逆矩阵W
W＝GH(GGH)-1
矩阵W的阶数为NRF×K；记W的第k列为wk(k＝1,2,...,K)，其Frobenius范数为||wk||；以||wk||为对角元构造一对角矩阵Λ＝diag{||w1||,||w2||,...,||wK||}，则数字预编码矩阵FBB可通过下式计算
FBB＝WΛ-1；
S4、根据模拟预编码矩阵FRF和数字预编码矩阵FBB对输入的多路数据流进行模数混合预编码：
将输入基于分布式部分连接结构的大规模MIMO模数混合预编码器的多路...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雷，
申请(专利权)人：成都大学，
类型：发明
国别省市：四川;51