一种基于毫米波大规模MIMO天线系统的重叠子连接混合预编码方法技术方案

本发明专利技术以兼具高能量效率、低功耗、低硬件成本和低复杂度的毫米波大规模混合预编码方案目标，公开了一种基于低解析度移相器的重叠子连接混合预编码方法，重叠子连接架构作为性能和成本的折中，既能保证较高的频谱效率，又能保证较高的能量效率，相比较于完全连接架构，本发明专利技术可以提高天线配置的自由度，在传输性能以及能量效率之间达到更好的平衡。性能以及能量效率之间达到更好的平衡。性能以及能量效率之间达到更好的平衡。

【技术实现步骤摘要】
一种基于毫米波大规模MIMO天线系统的重叠子连接混合预编码方法


[0001]本专利技术涉及多输入多输出天线
，特别是涉及一种基于毫米波大规模MIMO天线系统的重叠子连接混合预编码方法。

技术介绍

[0002]为了克服当前频谱资源短缺的问题，5G系统亟待开发波频率在30GHz以上毫米波波段，为无线通信提供更多的带宽资源。由于载波频率更高，波长更短，毫米波存在高路径损失、传输距离短、绕射能力差、容易散射、穿墙性差等缺陷。为了克服更高的路径损耗，5G通信系统要求基站配备大量天线以提供较大的阵列增益，即大规模多输入多输出(massive Multiple
‑
Input Multiple
‑
Output,Massive MIMO)天线系统。另一方面，更高频段载波使得天线间距可以降低，有助于将大量天线压缩成一个紧凑的天线阵列，从而实现Massive MIMO。反过来，Massive MIMO能为对抗较高频段无线通信的路径损耗提供较大的阵列增益，同时大规模天线还带来更多的空间自由度(Degree of Freedom本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于毫米波大规模MIMO天线系统的重叠子连接混合预编码方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：建立毫米波大规模MIMO天线系统模型，采用扩展的Saleh
‑
Valenzuela信道模型构造信道矩阵；1
‑
1.毫米波大规模MIMO天线系统系统模型在毫米波大规模MIMO天线系统中，基站配置N
t
根发射天线与N
tRF
根射频链路，传输K个数据流，并同时服务接收端共K个用户设备UE，每个UE都同样配置N
r
根接收天线与一根射频链路，且只接收一个数据流，N
rRF
表示所有用户的射频链路总数量，系统必须满足基站的发射信号x表示为：其中，发送符号向量s为一组随机数，其元素之间相互独立，并满足零平均值、单位能量，且而P为总发射功率，F
RF
为模拟射频预编码矩阵，其形式为F
BB
为数字预编码矩阵，其形式为F
RF
与F
BB
应满足功率控制，即信号从发射天线发送后经由信道传输至接收端，y
k
为第k个用户的接收信号，表示为：其中，表示发射信号x从基站到第k个用户的信道矩阵，n
k
～CN(0,σ2I
Nr
)表示均值为0，方差为σ2的信道噪声向量，其元素间互为独立以及具有相同的分布特性，且与发送符号向量s相互独立；1
‑
2.毫米波大规模MIMO天线系统信道模型毫米波大规模MIMO系统信道采用几何的Saleh
‑
Valenzuela模型，基站与第k个用户之间的信道矩阵表示为L
k
条传输路径的贡献之和，如下所示：其中，L
k
为基站与第k个用户之间的总传输路径数量，为基站对应第k个用户的第l条路径下的复数增益，和分别为到达方位角、到达提高角以及离开方位角、离开提高角，和分别为接收端和发射端阵列响应向量，为向量a
t
的共轭转置；基站和UE的天线排列方式均为均匀分布方形平面阵列，和表示为：
其中，λ表示信号的波长，d表示相邻天线元素之间的距离，发射和接收两端的天线阵列大小分别为和步骤2：根据经基站预编码处理后的系统的可达总和传输率建立目标函数；第k个用户接收信号y
k
再经过模拟射频解码矩阵理之后，接收端信号表示为：其中，表示对应至第k个用户s
k
的基频预编码向量，且发射端和接收端都有完美信道状态信息；公式(6)中由三项信号所组成，分别是第k个用户的期望信号、来自其他用户的干扰信号以及噪声信号，而系统的可达总和传输率(achiveable sum
‑
rate，ASR)表示为：其中，γ
k
为第k个用户的信干噪比(SINR)，其表示为：预编码设计最佳化问题等效成如下问题：预编码设计最佳化问题等效成如下问题：预编码设计最佳化问题等效成如下问题：预编码设计最佳化问题等效成如下问题：其中，模拟射频预编码器与解码器中都使用移相器来执行，f
RF，k
(i)表示模拟射频预编
码矩阵F
RF
对应第k个用户的第k行行向量的第i个元素，其正规化以满足对应第k个用户的第k行行向量的第i个元素，其正规化以满足为可行集合，量化相位为为可行集合，量化相位为为固定的初始权重大小，相位B为移相器的解析度；w
RF，k
(j)表示模拟射频解码矩阵W
RF
对第k个用户的第j个元素，其正规化满足个用户的第j个元素，其正规化满足为可行集合，相位量化相位为量化相位为为固定的初始权重大小；步骤3：基于重叠子连接架构进行混合预编码方案的设置；3
‑
1.转化目标函数在重叠子连接架构下，模拟射频预编码矩阵F
RF
架构为如下所示：其中，的下标k表示为系统发射端的第k个射频链路，而上标y表示为其所连接的第y根天线，每根射频链路所配置的天线数量为M
t
；当M
t
越接近N
t
，其矩阵内的非零元素会越少，所有射频链路的总未连接天线数越少；当M
t
越接近0，其矩阵内的非零元素越多，所有射频链路的总未连接天线数越多；由于公式(9)是一个非确定性多项式NP问题，计算复杂度较高，所以分成一些子问题并寻找局部最佳解，接着依据每个局部最佳解再联合得出所要求问题的最佳解；以加强信道增益和减少用户端之间的干扰为目标，首先对用户依序设计其每对的模拟波束成型向量，由于在重叠子连接架构下，发射端的每个射频链路不再固定配置连接N
t...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴甜甜，杨靖雅，韦成杰，王净丰，楚彩虹，占雪梅，王英杰，
申请(专利权)人：郑州铁路职业技术学院，
类型：发明
国别省市：