CN106301634A - 一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法，多用户以相同功率发送模拟信号，中继对信号进行模拟信号的放大转发，基站射频链路单元匹配大规模天线阵子对接收信号进行检测，模拟射频检测器提取多用户‑中继和中继‑基站级联信道的相位信息，数字基带检测器在级联信道与模拟检测器乘积的等效信道上使用线性检测，两者由射频链路相连；基站分析接收信号的信干噪比，计算出对应的有效传输速率下的用户所需发射功率，将其反馈给用户；最后多用户按基站反馈的发射功率发送模拟信号。本发明能够在保证系统有效传输速率前提下可以通过增加接收天线数目来按指数规律降低用户上行发射功率，提高系统能量效率。

Description

一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法

技术领域

本发明涉及大规模天线阵列系统中的检测方法设计领域，尤其是一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法。

背景技术

作为未来5G的关键技术，大规模多天线系统(MIMO，multiple input multipleoutput)可以显著提高频谱效率和能量效率。在大规模MIMO系统下行链路中，为了达到最大的通信系统容量，需要使用预编码技术，非线性预编码可以达到最优性能，例如脏纸编码(DPC，dirty paper coding)。但是这种非线性预编码较为复杂，为了简化预编码方案且不损失系统性能，可以使用线性预编码，例如ZF预编码，它可以在一定程度上逼近最大容量。进一步研究发现，在保证一定频谱效率的前提下，大规模多用户MIMO系统可以显著降低用户发射功率。

实际系统中，由于使用大规模天线阵列，下行链路的基带ZF预编码和上行链路的ZF检测都是满维度的数字域计算。要实现该运算，系统需要配置射频(RF，radiofrequency)链路个数等于基站天线数，这在大规模天线系统中会大大增加硬件复杂度和设备成本。考虑大规模多用户MIMO系统传输，本发明提出了减小RF链路个数，从而基站采取高维度模拟检测与低维度数字检测相级联的混合检测方法，即在射频域使用移相器来控制相位，在基带使用低维度的ZF检测。这种混合方案可以接近ZF检测的传输性能。

当用户与基站或用户间无法进行直接通信时，需要在通信链路上增加中继，中继端进行信号的放大和转发，做功率归一化的工作。大规模MIMO中继系统能够显著增大基站的覆盖范围，增加通信链路的频谱效率。

结合考虑到使用大规模的天线阵列将会大大增加硬件复杂度和能耗。例如，基站消耗的电能很大部分是由射频功放电路和冷却系统消耗的。在实际的大规模天线阵列中继系统中，针对基站硬件复杂度很高导致高能耗问题，该混合处理方法通过减少基站的射频链路数，并据此对用户发射功率进行调整，以获得天线数增加时的高能效的传输速率。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法，减小基站硬件复杂度，并在保证系统有效传输速率前提下通过增加接收天线数目按指数规律降低用户所需的上行发射总功率。

本发明采用的技术方案是：一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法，包括以下步骤：

(1)K个用户同时发送模拟信号到中继，中继天线数为N_r，中继接收模拟信号y_r；

(2)中继对接收到的模拟信号进行功率归一化并转发给基站，基站天线数为N_d，基站接收信号y_d；

(3)基站配备的射频链路单元匹配大规模天线阵子对接收信号进行检测，得到发射信号估计值，并计算接收信号的信干噪比；

(4)基站由计算接收信号的信干噪比近似估计值和系统近似传输速率，然后根据所要求的对应有效传输速率计算出用户所需发射功率P_u的取值并反馈给用户；

(5)K个用户根据基站反馈信息，调整发送功率P_u的取值，之后都以基站反馈来的发射功率发送信号。

进一步的，步骤(1)中所述中继接收的模拟信号为y_r：

$y_r=\sqrt{P_u}Hx+n_r$

其中，P_u表示每个用户的发送功率，x表示维度为K×1的发送信号矢量，满足E{xx^H}＝I_K，E{}表示矩阵的均值，上标x^H表示x的共轭转置，I_K表示维度为K×K的单位矩阵；n_r表示维度为N_r×1的中继端噪声矢量，满足 表示中继噪声方差；H表示维度为N_r×K的多用户-中继信道矩阵。

进一步的，步骤(2)中所述基站接收的信号为：

y_d＝αGy_r+n_d

其中α表示功率归一化因子，n_d表示维度为N_d×1的基站端噪声矢量，满足 表示基站噪声方差；G表示维度为N_d×N_r的中继-基站信道矩阵；定义P_r表示中继端转发功率，那么α根据下式计算：

$\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{P_r}{P_{u}Tr\left(H^{H}H\right)+{\mathrm{\σ}}_r^2{N}_r}}$

其中Tr()表示矩阵的迹。

进一步的，步骤(3)所述的检测，包括模拟射频检测方式和数字基带检测方式，其设定射频链路数目为K个，所述模拟射频检测使用移相器F_a调整模拟信号相位；所述数字基带检测使用线性接收机F_d对模拟信号的幅度和相位同时进行调整；步骤(3)中所述发射信号估计值为：

$\hat{x}=F_d{F}_a{y}_d$

进一步的，所述模拟移相器F_a的维度为K×N_d，其每个元素满足：

${\[F_a\]}_{ij}=\frac{1}{\sqrt{N_d}}{e}^{{\mathrm{j\φ}}_{ij}}$

其中φ_ij表示级联信道共轭转置矩阵(GH)^H第i行、第j列元素的相位；F_d的维度是K×K；

步骤(3)中所述检测包括对多用户-中继信道H、中继-基站信道G、模拟检测器F_a这三者乘积的等效信道进行线性检测。

进一步的，所述线性检测采用线性数字检测器，所述线性数字检测器可进行最大比合并检测、迫零检测和最小均方误差检测中的一种或多种，当使用迫零检测时，F_d＝(F_aGH)^-1。

进一步的，步骤(3)中所述接收信号的信干噪比为：

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{P_u}{{\mathrm{\σ}}_r^2{\[F_d{F}_a{\mathrm{GG}}^H{F}_a^H{F}_d^H\]}_{kk}+\frac{{\mathrm{\σ}}_d^2}{{\mathrm{\α}}^2}{\[F_d{F}_a{F}_a^H{F}_d^H\]}_{kk}}$

其中，[]_kk表示矩阵的第k行、第k列元素。

进一步的，步骤(4)中所述信干噪比近似估计值为：

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{{\mathrm{\ξ}}_k{P}_u}{\frac{4{\mathrm{\σ}}_r^2}{{\mathrm{\πN}}_d}+\frac{4\left(P_{u}Tr\right(D_H)+{\mathrm{\σ}}_r^2){\mathrm{\σ}}_d^2}{{\mathrm{\π\ηP}}_r{N}_d}}$

其中，D_H表示用户-中继信道维度为K×K的大尺度衰落矩阵，ξ_k为D_H的第k个对角元，η为中继-基站信道的大尺度衰落系数；

进一步的，所述系统近似传输速率计算公式为：

$R=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\ξ}}_k{P}_u}{\frac{4{\mathrm{\σ}}_r^2}{{\mathrm{\πN}}_d}+\frac{4\left(P_{u}Tr\right(D_H)+{\mathrm{\σ}}_r^2){\mathrm{\σ}}_d^2}{{\mathrm{\π\ηP}}_r{N}_d}})$

进一步的，步骤(4)中所述发送功率P_u具体为：

$P_u=\frac{E_u}{N_r^c},0<c<1$

其中，E_u为定值，c满足0<c<1且为常数，c的取值根据所要求的对应有效传输速率来确定，具体方法为：首先已知N_d、K、 P_r、D_H、ξ_k和η，然后将所要求的固定传输速率R₀以及E_u、N_r均为定值，代入步骤(4)中的系统近似传输速率计算公式，计算出c的值。

有益效果：本发明方法能够减小大规模天线阵列中继系统中基站硬件复杂度，所采用的数模混合检测方案实现简单，实现复杂度低，性能较好。并且，本发明方法利用中继和基站的大规模天线阵列，通过增加天线数按指数规律降低用户上行发射功率，同时保证系统传输速率随天线数单调递增。

附图说明

图1是本发明提出的系统框架图；

图2是系统传输速率随中继天线数的增加而变化的曲线图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法，包括以下步骤：

(1)K个用户同时发送模拟信号到中继，中继天线数为N_r，中继接收模拟信号y_r，

$y_r=\sqrt{P_u}Hx+n_r$

其中，P_u表示每个用户的发送功率，x表示维度为K×1的发送信号矢量，满足E{xx^H}＝I_K，E{}表示矩阵的均值，上标x^H表示x的共轭转置，I_K表示维度为K×K的单位矩阵；n_r表示维度为N_r×1的中继端噪声矢量，满足 表示中继噪声方差；H表示维度为N_r×K的多用户-中继信道矩阵。

(2)中继对接收到的模拟信号进行功率归一化并转发给基站，基站天线数为N_d，基站接收信号y_d，

y_d＝αGy_r+n_d

其中α表示功率归一化因子，n_d表示维度为N_d×1的基站端噪声矢量，满足 表示基站噪声方差；G表示维度为N_d×N_r的中继-基站信道矩阵；定义P_r表示中继端转发功率，那么α根据下式计算：

$\mathrm{\&alpha;}=\sqrt{\frac{P_r}{P_{u}Tr\left(H^{H}H\right)+{\mathrm{\&sigma;}}_r^2{N}_r}}$

其中Tr()表示矩阵的迹。

(3)基站使用配备的少量射频链路单元匹配大规模天线阵子对接收信号进行检测，得到发射信号估计值，并计算接收信号的信干噪比；

所述的检测，包括模拟射频检测方式和数字基带检测方式，其设定射频链路数目为K个，经过模拟射频检测方式和数字基带检测方式的混合检测，得到发射信号估计值；所述模拟射频检测使用移相器F_a调整模拟信号相位；所述数字基带检测使用线性接收机F_d对模拟信号的幅度和相位同时进行调整；

发射信号估计值为：

$\hat{x}=F_d{F}_a{y}_d$

本发明方法支持系统配置射频链路数K远小于天线阵子数目N_d，可以控制大规模基站电路成本及复杂度，通常可以取值本实施例中此时模拟移相器F_a的维度为K×N_d，其每个元素满足：

${\&lsqb;F_a\&rsqb;}_{ij}=\frac{1}{\sqrt{N_d}}{e}^{{\mathrm{j\&phi;}}_{ij}}$

其中φ_ij表示级联信道共轭转置矩阵(GH)^H第i行、第j列元素的相位；F_d的维度是K×K；其设计可以采用现有系统中常见的(纯数字)检测器；

检测包括对多用户-中继信道H、中继-基站信道G、模拟检测器F_a这三者乘积的等效信道进行线性检测。

线性检测采用线性数字检测器，线性数字检测器可进行最大比合并检测(MRC)、迫零检测(ZF)和最小均方误差检测(MMSE)中的一种或多种，当使用迫零检测时，F_d＝(F_aGH)^-1。

接收信号的信干噪比为：

${\mathrm{\&gamma;}}_k=\frac{P_u}{{\mathrm{\&sigma;}}_r^2{\&lsqb;F_d{F}_a{\mathrm{GG}}^H{F}_a^H{F}_d^H\&rsqb;}_{kk}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_d^2}{{\mathrm{\&alpha;}}^2}{\&lsqb;F_d{F}_a{F}_a^H{F}_d^H\&rsqb;}_{kk}}$

其中，[]_kk表示矩阵的第k行、第k列元素。

(4)基站由计算接收信号的信干噪比近似估计值和系统近似传输速率，然后根据所要求的对应有效传输速率计算出用户所需发射功率P_u的取值并反馈给用户；步骤(4)中所述信干噪比近似估计值为：

${\mathrm{\&gamma;}}_k=\frac{{\mathrm{\&xi;}}_k{P}_u}{\frac{4{\mathrm{\&sigma;}}_r^2}{{\mathrm{\&pi;N}}_d}+\frac{4\left(P_{u}Tr\right(D_H)+{\mathrm{\&sigma;}}_r^2){\mathrm{\&sigma;}}_d^2}{{\mathrm{\&pi;\&eta;P}}_r{N}_d}}$

其中，D_H表示用户-中继信道维度为K×K的大尺度衰落矩阵，ξ_k为D_H的第k个对角元，η为中继-基站信道的大尺度衰落系数；

所述系统近似传输速率计算公式为：

$R=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\&xi;}}_k{P}_u}{\frac{4{\mathrm{\&sigma;}}_r^2}{{\mathrm{\&pi;N}}_d}+\frac{4\left(P_{u}Tr\right(D_H)+{\mathrm{\&sigma;}}_r^2){\mathrm{\&sigma;}}_d^2}{{\mathrm{\&pi;\&eta;P}}_r{N}_d}})$

增加大规模天线时用户上行发射功率P_u按指数规律降低，系统传输速率随天线数单调递增，发送功率P_u具体为：

$P_u=\frac{E_u}{N_r^c},0<c<1$

其中，E_u为定值，c满足0<c<1且为常数，c的取值根据所要求的对应有效传输速率来确定，具体方法为：首先已知N_d、K、 P_r、D_H、ξ_k和η，然后将所要求的固定传输速率R₀以及E_u、N_r均为定值，代入步骤(4)中的系统近似传输速率计算公式，计算出c的值。

(5)K个用户根据基站反馈信息，调整发送功率P_u的取值，之后都以基站反馈来的发射功率发送信号。

如图2所示，当增加天线数按不同的指数规律降低发射功率时，传输速率随天线数的增加有不同的变化趋势。由图中发现，当0<c<1时，观察图中自上而下的前四条曲线，传输速率随天线数单调递增；当c>1时，观察图中自上而下的后两条曲线，可以看出，任意选择功率调整系数c都不能保证用户传输性能随天线数目增加而增加。因此，本发明提出的数模混合检测方案在保证有效传输速率的前提下能够按降低发射功率。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)K个用户同时发送模拟信号到中继，中继天线数为N_r，中继接收模拟信号y_r；

(2)中继对接收到的模拟信号进行功率归一化并转发给基站，基站天线数为N_d，基站接收信号y_d；

(3)基站配备的射频链路单元匹配大规模天线阵子对接收信号进行检测，得到发射信号估计值，并计算接收信号的信干噪比；

(4)基站由计算接收信号的信干噪比近似估计值和系统近似传输速率，然后根据所要求的对应有效传输速率计算出用户所需发射功率P_u的取值并反馈给用户；

(5)K个用户根据基站反馈信息，调整发送功率P_u的取值，之后都以基站反馈来的发射功率发送信号。

2.根据权利要求1所述的一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法，其特征在于，步骤(1)中所述中继接收的模拟信号为y_r：

$y_r=\sqrt{P_u}Hx+n_r$

其中，P_u表示每个用户的发送功率，x表示维度为K×1的发送信号矢量，满足E{xx^H}＝I_K，E{}表示矩阵的均值，上标x^H表示x的共轭转置，I_K表示维度为K×K的单位矩阵；n_r表示维度为N_r×1的中继端噪声矢量，满足 表示中继噪声方差；H表示维度为N_r×K的多用户-中继信道矩阵。

3.根据权利要求1所述的一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法，其特征在于，步骤(2)中所述基站接收的信号为：

y_d＝αGy_r+n_d

其中α表示功率归一化因子，n_d表示维度为N_d×1的基站端噪声矢量，满足 表示基站噪声方差；G表示维度为N_d×N_r的中继-基站信道矩阵；定义P_r表示中继端转发功率，那么α根据下式计算：

$\mathrm{\&alpha;}=\sqrt{\frac{P_r}{P_{u}Tr\left(H^{H}H\right)+{\mathrm{\&sigma;}}_r^2{N}_r}}$

其中Tr()表示矩阵的迹。

4.根据权利要求1所述的一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法，其特征在于，步骤(3)所述的检测，包括模拟射频检测方式和数字基带检测方式，其设定射频链路数目为K个，所述模拟射频检测使用移相器F_a调整模拟信号相位；所述数字基带检测使用线性接收机F_d对模拟信号的幅度和相位同时进行调整；步骤(3)中所述发射信号估计值为：

$\hat{x}=F_d{F}_a{y}_d$

5.根据权利要求1所述的一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法，其特征在于，所述模拟移相器F_a的维度为K×N_d，其每个元素满足：

${\&lsqb;F_a\&rsqb;}_{ij}=\frac{1}{\sqrt{N_d}}{e}^{{\mathrm{j\&phi;}}_{ij}}$

其中φ_ij表示级联信道共轭转置矩阵(GH)^H第i行、第j列元素的相位；F_d的维度是K×K；

步骤(3)中所述检测包括对多用户-中继信道H、中继-基站信道G、模拟检测器F_a这三者乘积的等效信道进行线性检测。

6.根据权利要求5所述的一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法，其特征在于，所述线性检测采用线性数字检测器，所述线性数字检测器可进行最大比合并检测、迫零检测和最小均方误差检测中的一种或多种，当使用迫零检测时，F_d＝(F_aGH)^-1。

7.根据权利要求1所述的一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法，其特征在于，步骤(3)中所述接收信号的信干噪比为：

${\mathrm{\&gamma;}}_k=\frac{P_u}{{\mathrm{\&sigma;}}_r^2{\&lsqb;F_d{F}_a{\mathrm{GG}}^H{F}_a^H{F}_d^H\&rsqb;}_{kk}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_d^2}{{\mathrm{\&alpha;}}^2}{\&lsqb;F_d{F}_a{F}_a^H{F}_d^H\&rsqb;}_{kk}}$

其中，[]_kk表示矩阵的第k行、第k列元素。

8.根据权利要求1所述的一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法，其特征在于，步骤(4)中所述信干噪比近似估计值为：

${\mathrm{\&gamma;}}_k=\frac{{\mathrm{\&xi;}}_k{P}_u}{\frac{4{\mathrm{\&sigma;}}_r^2}{{\mathrm{\&pi;N}}_d}+\frac{4\left(P_{u}Tr\right(D_H)+{\mathrm{\&sigma;}}_r^2){\mathrm{\&sigma;}}_d^2}{{\mathrm{\&pi;\&eta;P}}_r{N}_d}}$

其中，D_H表示用户-中继信道维度为K×K的大尺度衰落矩阵，ξ_k为D_H的第k个对角元，η为中继-基站信道的大尺度衰落系数；

9.根据权利要求1所述的一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法，其特征在于，所述系统近似传输速率计算公式为：

$R=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\&xi;}}_k{P}_u}{\frac{4{\mathrm{\&sigma;}}_r^2}{{\mathrm{\&pi;N}}_d}+\frac{4\left(P_{u}Tr\right(D_H)+{\mathrm{\&sigma;}}_r^2){\mathrm{\&sigma;}}_d^2}{{\mathrm{\&pi;\&eta;P}}_r{N}_d}})$

10.根据权利要求9所述的一种采用数模混合检测的大规模天线阵列中继传输方法，其特征在于，步骤(4)中所述发送功率P_u具体为：

$P_u=\frac{E_u}{N_r^c},0<c<1$

其中，E_u为定值，c满足0<c<1且为常数，c的取值根据所要求的对应有效传输速率来确定，具体方法为：首先已知N_d、K、P_r、D_H、ξ_k和η，然后将所要求的固定传输速率R₀以及E_u、N_r均为定值，代入步骤(4)中的系统近似传输速率计算公式，计算出c的值。