CN107332596A - 一种基于迫零的毫米波通信系统混合预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于迫零的毫米波通信系统混合预编码方法，包括：根据信道矩阵构建迫零预编码矩阵；利用QR分解将迫零预编码矩阵分解成一个酉矩阵和一个上三角矩阵的乘积；利用阵列流形矢量对第二步中的酉矩阵进行匹配，构造模拟端预编码矩阵，矩阵中的元素具有恒模特性；利用模拟端预编码矩阵和迫零预编码矩阵得到数字端的预编码矩阵，最后的混合预编码矩阵表现为模拟端和数字端预编码矩阵的乘积。在发射天线数大于接收天线数的毫米波下行系统中，本发明所需射频链路数与接收天线数相同，与射频链路数与发射天线数相同的传统ZF预编码相比射频链路数目更少，从而减少了系统的硬件成本和额外的硬件设备功率开销。

Description

一种基于迫零的毫米波通信系统混合预编码方法

技术领域

本发明涉及一种基于迫零的毫米波通信系统混合预编码方法，属于无线通信预编码技术领域。

背景技术

多输入多输出技术(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过发射端与接收端的多个天线进行传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，给系统带来额外的分集和复用增益。无论是单用户MIMO或是多用户MIMO系统，一个基本问题就是消除数据流之间或是用户信号之间的干扰。

为了解决上述基本问题，目前的处理方法主要是利用信道信息CSI对发射信号进行预编码处理，从而消除同一用户的数据流之间或不同用户的信号之间的干扰。传统的预编码方法分为线性和非线性的，线性预编码主要有迫零(Zero Forcing,ZF)和最小均方误差(Minimum Mean Square Error,MMSE)等。

在未来几年内，人们对于通信速率等性能方面的要求将成百上千倍增长，毫米波系统因其能够提供新的较大的带宽而受到人们的普遍关注。最近研究表明，毫米波系统可以提供Gpgs级别的传输速率，且由于其波长很短，所以可以在很小的面积内部署大规模的天线阵列。但是毫米波系统同时存在路径损耗过高、散射能力差等缺点。为了克服这些缺点，利用大规模的天线阵列进行波束赋形和预编码成为必然的选择。传统方法由于需要使用大量的D/A转换器、混频器和功率放大器等硬件设备(即通常所说的射频链路)，使得毫米波系统存在硬件成本和功率开销过大的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于迫零的毫米波通信系统混合预编码方法，其中，混合预编码是指传输信号前在数字端和模拟端同时对信号进行预编码，从而减少射频链路的数量来降低毫米波系统的硬件开销。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种基于迫零的毫米波通信系统混合预编码方法，包括以下步骤：

步骤一、发射端根据信道矩阵H构建迫零预编码矩阵F_ZF；

步骤二、利用QR分解将迫零预编码矩阵F_ZF分解成一个酉矩阵Q和一个上三角矩阵R的乘积；

步骤三、将步骤二中的酉矩阵Q在阵列流型矢量组成的集合中进行匹配，从而构造模拟端预编码矩阵F_RF；

步骤四、根据模拟端预编码矩阵F_RF和迫零预编码矩阵F_ZF得到数字端的预编码矩阵F_BB，混合预编码矩阵F表现为模拟端预编码矩阵F_RF和数字端预编码矩阵F_BB的乘积。

作为本发明的进一步技术方案，步骤一中迫零预编码矩阵F_ZF为：F_ZF＝H'(HH')^-1。

作为本发明的进一步技术方案，步骤三中模拟端预编码矩阵F_RF中的元素具有恒模特性。

作为本发明的进一步技术方案，步骤三中模拟端预编码矩阵F_RF中的第n列f_RF,n为：其中，A_t是集合中每个元素作为一列组成的矩阵，N_ray为发射端的有效发射方向数，(·)_l,l表示矩阵中第l个对角元素，×表示矩阵乘法，表示矩阵的第k_n列，q_n表示酉矩阵Q的第n列，1≤n≤N_RF，N_RF为射频链路数目。

作为本发明的进一步技术方案，步骤四中预编码矩阵F_BB为：F_BB＝c×Σ，其中，Q₁表示由酉矩阵Q的前N_r列组成的矩阵，Σ表示由上三角矩阵R的前N_r行组成的矩阵，N_r为接收天线数目。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1)通过上述步骤的描述可以发现，本发明所需射频链路数与接收天线数相同。在毫米波通信下行系统中，发射天线数往往远大于接收天线数，因此本发明减少了射频链路数目，从而降低了系统的硬件成本和额外的硬件设备功率开销；

2)本发明因为是对最佳的全数字ZF预编码矩阵进行重构，所以在频谱效率性能方面接近最佳的全数字ZF预编码方法。

附图说明

图1为本发明所设定的毫米波通信系统的系统模型。

图2为本发明一种基于迫零的毫米波通信系统混合预编码方法的一个实施例流程图。

图3为本发明所述方法的一个实施例与现有技术的仿真性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1为本发明所设定的毫米波通信系统的系统模型，其中，发射天线数目为N_t，接收天线数目为N_r，射频RF链路数目为N_RF，传输的数据流数目为N_s，且满足N_t≥N_r＝N_RF＝N_s。

图2为本发明一种基于迫零的毫米波通信系统混合预编码方法的一个实施例流程图，该实施例所述方法包括以下步骤：

步骤一、发射端获取信道状态信息CSI，利用信道状态信息CSI构建迫零预编码矩阵F_ZF。具体过程为：

在TDD或FDD系统中，通过上下行信道间的互益性或信道反馈，发射端可以获得信道状态信息CSI，从而得到信道矩阵H。

由于毫米波通信系统信道存在有限散射的特性，根据信道的稀疏特性往往将信道建模为聚集簇模型，即发射端有效的发射方向是有限的，具体表达如下所示：

其中，γ是归一化因子，α_il表示第i个散射簇中第l条射线的信道增益，和表示这些射线在接收端和发射端的方位角(俯仰角)，和表示发射端和接收端对应角度的天线增益，和表示归一化的接收端和发射端阵列流型矢量。

例如，对于N根天线组成的ULA，阵列流型矢量表达形式为：

其中，φ表示放射方向的方位角。

发射端利用信道矩阵H构建迫零预编码矩阵F_ZF。传统的迫零预编码方法如下所示：

F_ZF＝H'(HH')^-1。

步骤二、利用QR分解将迫零预编码矩阵F_ZF分解成一个酉矩阵和一个上三角矩阵的乘积。具体过程为：

信道矩阵H是一个维度为N_r×N_t的矩阵，由步骤一得到的迫零预编码矩阵F_ZF维度为N_t×N_r，且N_t≥N_r，因此F_ZF满足QR分解的条件。对F_ZF进行QR分解可得：

F_ZF＝Q×R

其中，Q是一个N_t×N_t的酉矩阵，R是一个N_t×N_r的上三角矩阵。可以将Q表示为其中q_n(1≤n≤N_t)表示Q中的第n个列向量；将R表示为Σ是一个N_r×N_r的上三角矩阵，0是一个全零矩阵。

步骤三、将步骤二中的酉矩阵Q在由发射端可能发射方向的阵列流型矢量组成的集合中进行匹配，从而构造模拟端符合恒模限制的预编码矩阵，用符号F_RF表示。具体过程为：

假设发射端的有效发射方向数为N_ray，发射端所有有效发射方向的阵列流型矢量用集合来表示，表示为其中，表示第i个散射簇中第l条射线在发射端的发射方向的阵列流型矢量。

由步骤二可知，Q和R可分别表示为及因此，迫零预编码F_ZF表示为：

令即F_ZF＝Q₁×Σ，其中，Q₁是一个N_t×N_r且列向量为相互正交的单位向量的矩阵。由上可知，Q₁和Σ包含了F_ZF中的所有信息。因此，在模拟端，利用Q₁进行模拟端的预编码。

集合中每个元素作为一列组成矩阵将Q₁中的每一个列向量在集合中进行匹配，选出最佳发射方向的阵列流型矢量来作为模拟端的预编码矩阵，方法如下所示：

(1)计算Q₁的每一列在由A_t组成的一组基上的坐标Ψ：

(2)取出坐标值最大的基在A_t中的位置k：

其中，N_cl表示散射簇的数目，N_line表示每个散射簇中射线的数目，则发射端的有效发射方向数N_ray＝N_clN_line。

(3)将坐标值最大的基作为F_RF的一列：

其中，(·)_l,l表示矩阵中第l个对角元素，·^(k)表示矩阵的第k列。

F_RF初始化为一个空矩阵，对n从1到N_r依次进行计算，其第n列f_RF,n为：其中，最终获得模拟端的预编码矩阵F_RF。

如上述方法构造模拟端的预编码矩阵F_RF，从上式可以看出，F_RF的每一列都是某一发射方向的阵列流型矢量，因此F_RF中的元素具有恒模特性。

步骤四、使用模拟端预编码矩阵F_RF和迫零预编码矩阵F_ZF得到数字端的预编码矩阵F_BB，混合预编码矩阵F表现为模拟端和数字端预编码矩阵的乘积，具体过程为：

不同角度的阵列流型矢量之间是线性独立的，因此，Q₁可以通过对步骤三中构造的模拟端预编码矩阵F_RF进行线性变换得到，即表示成如下形式：

Q₁＝F_RF×c

其中，c表示从F_RF到Q₁的线性变换矩阵，具有以下形式：

因此上述的迫零预编码矩阵F_ZF可以表示为：

F_ZF＝Q₁×Σ

＝F_RF×c×Σ

在数字端进行预编码，即令F_BB＝c×Σ，本文提出的混合预编码矩阵F表现为：

F＝F_RFF_BB

为了方便系统性能的比较，可加入功率归一化因子β。令则：此时混合预编码矩阵F表现为：F＝βF_RFF_BB。

图3是将本发明的一个实施例与全数字ZF预编码以及现有以信道矩阵相位做模拟端波束赋形的混合预编码算法在频谱效率性能方面进行比较的仿真图，参数设置为：N_t＝64；N_r＝N_s＝N_RF＝4；共有8条散射路径，即N_cl×N_line＝8且角度随机生成，发射端和接收端采用ULA天线阵列，每根天线之间距离为

从图3中可以看到，与现有的以信道矩阵相位做模拟端波束赋形的混合预编码算法相比，利用QR分解的混合预编码算法频谱效率性能更好。与全数字的ZF预编码相比，利用QR分解的混合预编码算法频谱效率性能仅有少量损耗但是只需要4条射频链路，远少于全数字ZF预编码的64条射频链路。

由此可以看出，本发明的实施例方案在降低了系统硬件成本与额外硬件设备功率开销的前提下，与现有方案相比能够获得更好的频谱效率性能。

在毫米波通信系统中，本发明利用迫零思想在数字端和模拟端同时对信号进行处理来消除数据流之间的干扰，在少量频谱效率性能损耗的情况下大大减少了系统的射频链路数量。与传统的方法相比，本发明大大减少了系统的射频链路数量且仅有少量频谱效率性能损耗，从而降低了系统的硬件成本和额外的硬件设备功率开销，因此，本发明相比传统的方法更加适用于毫米波通信系统在实际中的应用。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于迫零的毫米波通信系统混合预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、发射端根据信道矩阵H构建迫零预编码矩阵F_ZF；

步骤二、利用QR分解将迫零预编码矩阵F_ZF分解成一个酉矩阵Q和一个上三角矩阵R的乘积；

步骤三、将步骤二中的酉矩阵Q在阵列流型矢量组成的集合中进行匹配，从而构造模拟端预编码矩阵F_RF；

步骤四、根据模拟端预编码矩阵F_RF和迫零预编码矩阵F_ZF得到数字端的预编码矩阵F_BB，混合预编码矩阵F表现为模拟端预编码矩阵F_RF和数字端预编码矩阵F_BB的乘积。

2.根据权利要求1所述的一种基于迫零的毫米波通信系统混合预编码方法，其特征在于，步骤一中迫零预编码矩阵F_ZF为：F_ZF＝H'(HH')^-1。

3.根据权利要求1所述的一种基于迫零的毫米波通信系统混合预编码方法，其特征在于，步骤三中模拟端预编码矩阵F_RF中的元素具有恒模特性。

4.根据权利要求1所述的一种基于迫零的毫米波通信系统混合预编码方法，其特征在于，步骤三中模拟端预编码矩阵F_RF中的第n列f_RF,n为：其中，A_t是集合中每个元素作为一列组成的矩阵，N_ray为发射端的有效发射方向数，(·)_l,l表示矩阵中第l个对角元素，×表示矩阵乘法，表示矩阵的第k_n列，q_n表示酉矩阵Q的第n列，1≤n≤N_RF，N_RF为射频链路数目。

5.根据权利要求1所述的一种基于迫零的毫米波通信系统混合预编码方法，其特征在于，步骤四中预编码矩阵F_BB为：F_BB＝c×Σ，其中，Q₁表示由酉矩阵Q的前N_r列组成的矩阵，Σ表示由上三角矩阵R的前N_r行组成的矩阵，N_r为接收天线数目。