3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法及装置。本发明专利技术根据二维角度功率谱分离条件，首先基于流形上的投影梯度法生成两组满足一定约束条件的互补序列集，再基于梯度法生成一对元素恒模且非零元位置互补的序列，最后根据所设计的两组互补序列集和互补序列对构造宽覆盖预编码矩阵。本发明专利技术所公开方法同时满足等发射功率约束以及半酉约束，相对已有宽覆盖方案能够在保证同步性能的基础上大幅降低复杂度。

【技术实现步骤摘要】
3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法及装置
本专利技术涉及无线通信方法
，特别是涉及地面无线通信与卫星无线通信中3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法及装置。
技术介绍
通过在基站端配置大规模天线，大规模MIMO能够提供巨大的信道容量增益以及能量效率提升。大规模MIMO已经成为了5G移动通信的关键技术。对于无人机和物联网等新技术，大规模MIMO也能提供有效支持，能够提高无人机通信的可靠度和吞吐量，并且满足支撑物联网的大规模连接技术的需求。大规模MIMO对于卫星通信同样重要，目前在卫星通信系统的研究中也开始采用大规模天线配置。在大规模天线阵列中，均匀面阵天线由于尺寸合理，在地面无线通信系和卫星通信系统中都广泛应用。未来6G移动通信中，随着频谱效率和能量效率的进一步提升需求，配置超大规模面阵天线阵列的3D超大规模MIMO很有可能成为新的关键技术。另一方面，同步和控制信道信息传输在无线传输系统中起着重要的作用，是整个无线业务传输的前提，需建立在基站无法获取用户信道信息基础上。为确保同步与控制信息的有效传输，需要同步与控制信道信息的传输能够覆盖整个所服务的小区，让小区中任何方位的用户都能够获得可靠的同步与控制信息。综上，3D超大规模MIMO同步与控制信息传输方法在地面无线通信和卫星通信中都具有重要的应用前景。近年来文献中针对大规模均匀面阵提出的全向预编码传输方法是一种高效的同步与控制信道信息传输方法。为了保证全向传输，考虑多个数据流，每个数据流对应一个预编码，所有数据流上的预编码合成一个全向预编码矩阵。在全向传输方法中需要考虑的约束有三个：全向约束、天线等功率约束以及整个预编码矩阵满足半酉约束。对于实际大规模MIMO系统，全向预编码传输又被进一步扩展为宽覆盖预编码传输方法以满足实际系统的具体覆盖要求。宽覆盖预编码设计方法基于优化理论，由于未来3D超大规模MIMO系统天线数量进一步的增加，宽覆盖预编码的设计的维度将大大增加。即使宽覆盖预编码设计是一种离线设计，但仍需要在合理的时间内完成设计，其计算复杂度仍十分重要，因此3D超大规模MIMO简化宽覆盖预编码设计方法变得更加重要。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法及装置，能够在确保同步性能的同时，进一步降低计算复杂度。为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法，包括：步骤S1、生成两组长度为Mz且互相关为零的互补序列集和每组序列集都满足序列之间相互正交并且相同位置元素模平方和为常数，同时每组序列集的角度功率谱目标函数均为az(u)，其中Mz为面阵天线阵列每一垂直列上的天线个数，r为传输数据流数；步骤S2、生成一对长度为Mx的互补序列φ和该互补序列对元素恒模并满足非零元位置互补，同时其角度功率谱之和的目标函数为ax(v)，其中Mx为面阵天线阵列每一水平行上的天线个数；步骤S3、根据步骤S1中生成的两组互补序列集以及步骤S2中生成的互补序列对，再基于生成第i流上Mx×Mz宽覆盖预编码矩阵，其中上标T表示转置函数，表示克罗内克积。进一步的，所述预编码矩阵根据P＝[vec(P1)，vec(P2)，…，vec(Pr)]组成一个MxMz×r预编码矩阵，其中vec为向量化函数。进一步的，所述宽覆盖预编码矩阵P满足以下约束：a、可分离约束，表达式为：其中，u，v分别是垂直方向和水平方向余弦，u(u，v)为空间舵矢量，az(u)表示为所述步骤S1中序列集的角度功率谱目标函数，ax(v)表示为所述步骤S2中互补序列对度功率谱之和的目标函数；b、等发射功率约束，表达式为：其中，为Mt维单位阵，diag(·)表示由矩阵对角元构成的对角阵；c、半酉约束，表达式为：其中，上标H表示共轭转置函数。进一步的，在所述步骤S1中，所述生成两组长度为Mz且互相关为零的互补序列集和的方法具体包括：根据由给定序列集{d1，d2，...，dr}构造另一序列集{f1，f2，...，fr}，其中r设置为偶数，上标表示共轭负方向运算，n表示向量的维度；所述目标函数均az(u)的表达式，具体为：其中，vz(u)为垂直方向舵矢量。进一步的，在所述步骤S2中，所述生成一对长度为Mx的互补序列φ和的方法具体包括：令其中，ρk，λl为待优化求解的变量，k，l＝1，2，...，Mx/2，序列对φ和的角度功率谱和满足：其中，Sφ＝|φTvx(v)|2，vx(v)为水平方向舵矢量。本专利技术还提供一种3D超大规模MIMO系统的发送端装置，该装置包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述程序被加载至处理器时实现所述的3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法。本专利技术的有益效果是：本专利技术方法相比于现有的宽覆盖预编码方案，将Mt×r维预编码矩阵的设计简化为两组长度为r、向量维度为Mz的序列集和一对维度为Mx的互补序列的设计，能够在保证同步性能的基础上有效地降低计算复杂度。另外，本专利技术所公开宽覆盖预编码满足各天线功率相同以提高射频功率利用效率，并且各个数据流上的预编码矩阵相互正交以保证频谱利用率。附图说明图1为本专利技术的3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码矩阵生成方法流程示意图；图2为系统配置侧面示意图；图3为αz取0.05时基于本专利技术方案的角度功率谱图；图4为αz取0.1时基于本专利技术方案的角度功率谱图；图5为αz取0.2时基于本专利技术方案的角度功率谱图；图6为αz取0.1时基于宽覆盖方案1的角度功率谱图；图7为αz取0.05基于本专利技术方案的扇区内及附近的接收功率图；图8为αz取0.1基于本专利技术方案的扇区内及附近的接收功率图；图9为αz取0.2基于本专利技术方案的扇区内及附近的接收功率图；图10为αz取0.1基于宽覆盖方案1的扇区内及附近的接收功率图；图11为预编码不同设置下的漏检概率同步性能图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。如图1所示，本专利技术实施例公开的一种3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码矩阵生成方法，包括：根据预设的目标覆盖范围确定角度功率谱目标函数；基于流形上的投影梯度法生成两组满足一定约束条件的互补序列集；基于投影法生成一对元素恒模且非零元位置互补的序列；根据所生成的互补序列集及互补序列生成宽覆盖预编码矩阵。本专利技术方法主要适用于基站侧配备超大规模均匀面阵的MIMO系统。下面结合具体的通信系统实例对本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法，其特征在于，包括：/n步骤S1、生成两组长度为M

【技术特征摘要】
1.3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法，其特征在于，包括：
步骤S1、生成两组长度为Mz且互相关为零的互补序列集和每组序列集都满足序列之间相互正交并且相同位置元素模平方和为常数，同时每组序列集的角度功率谱目标函数均为az(u)，其中Mz为面阵天线阵列每一垂直列上的天线个数，r为传输数据流数；
步骤S2、生成一对长度为Mx的互补序列φ和该互补序列对元素恒模并满足非零元位置互补，同时其角度功率谱之和的目标函数为ax(v)，其中Mx为面阵天线阵列每一水平行上的天线个数；
步骤S3、根据步骤S1中生成的两组互补序列集以及步骤S2中生成的互补序列对，再基于生成第i流上Mx×Mz宽覆盖预编码矩阵，其中上标T表示转置函数，表示克罗内克积。


2.根据权利要求1所述的3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法，其特征在于，所述预编码矩阵根据P＝[vec(P1)，vec(P2)，…，vec(Pr)]组成一个MxMz×r预编码矩阵，其中vec为向量化函数。


3.根据权利要求1所述的3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法，其特征在于，所述宽覆盖预编码矩阵P满足以下约束：
a、可分离约束，表达式为：其中，u，v分别是垂直方向和水平方向余弦，u(u，v)为空间舵矢量，az(u)表示为所述步骤S1中序列集的角度功率谱目标函数，ax(v)表示为所述步骤S2中互补序列对度功率谱之和的目标函...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢安安，陈衍，高西奇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32