CN107359921A - 大规模mimo系统基于标准正交化的混合预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法，其中模拟预编码的设计基于等增益传输，通过将基带等效信道矩阵的主对角线元素相位置零来获得最大的天线阵列增益，以降低发信机的总能耗和复杂度；数字预编码矩阵的设计基于标准正交化与奇异值分解，通过把期望用户映射到其它用户零空间的方式来完全消除用户之间的干扰，并获得最大的频谱效率。数值结果显示，在配备少量射频链路时，本发明的混合预编码方法的性能接近于需要配备与天线相同数量射频链路的全数字预编码方案；能以较低的实现复杂度获得较高的频谱效率。

Description

大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法。

背景技术

大规模多输入多输出(Massive MIMO)系统通过为基站配置大规模天线阵列，可深度发掘空间自由度，使其能够利用同一时频资源服务于多个用户，被看作是第5代移动通信(5G)最主要的物理层关键技术之一。对于Massive MIMO系统而言，由于能量消耗与系统成本的限制，预编码设计显得尤为重要。在传统MIMO系统中，由于天线数较少，配置与天线相同数量的射频(RF)链路不会带来很高的实现复杂度、能耗和成本，因此通常采用全数字技术在基带对信号进行预处理，以便消除信号间的干扰。但是Massive MIMO系统的天线数目很多，若配备与天线相同数量的RF链路，则会产生高额的费用与功耗，因此全数字技术并不适用。

众所周知，模拟预编码利用模拟移相器来控制信号的相位，不需要系统配备与天线相同数目的RF链路，具有实现成本低、能量消耗小等优势，但其性能劣于数字技术。因此为了在经济、开销以及复杂度之间寻求平衡，很多学者提出了混合预编码技术，即在Massive MIMO系统中综合利用基带的数字预编码与射频的模拟预编码，其中数字技术用于保证传输的性能，而模拟技术用来降低收发机的总能耗和复杂度。

考虑Massive MIMO下行链路传输，基站作为发送端配备大规模天线阵列，假定具有N_BS根发射天线和M_BS个RF链路(通常情况下RF链路包括数模转换、混频器、功率放大器等)，接收端共有K个用户，每个用户终端配备N_MS根接收天线以及相同数量的RF链路，且每个用户待传输的数据流数为N_S，也就是说，基站端要发送并处理KN_S个数据流。为了保证通信的有效性，要求RF链路数目不少于数据流数，天线数目不少于RF链路数，即在基站端必须满足KN_S≤M_BS≤N_BS，在接收端满足N_S≤N_MS。

根据上述模型，发送信号首先经过一个M_BS×KN_S的数字预编码器B处理，然后经过M_BS个射频链路，接着一个N_BS×M_BS的模拟预编码器F。其中，模拟预编码器由模拟移相器网络实现。值得注意的是，数字预编码器B既可以改变信号的幅度，又可以改变信号的相位。但是模拟预编码器F只可以改变信号的相位，不能改变信号的幅度。由于模拟预编码矩阵F受到恒定模值的限制，故把模拟预编码器矩阵F中的元素进行归一化，使其模值满足其中F(i,j)代表矩阵F的第i行第j列个元素。同时，为了满足发射功率约束，必须有

假设信道模型为窄带平坦衰落信道，那么第k个用户的接收信号可表示为：

y_k＝H_kFBs+n_k,k＝1,2,...，K；

其中s代表基站总的发射符号矢量，每个用户的符号矢量可表示为N_S×1维的矢量s_k，因此总的发射符号矢量可以表示成且总发射符号矢量满足其中P代表总发射功率，代表KN_S维的单位矩阵；H_k表示从基站到第k个用户终端的N_MS×N_BS维信道矩阵；n_k代表N_MS×1维的加性高斯噪声，它服从独立同分布的均值为0，方差为σ²的复高斯分布；

由前述模型可知，大规模MIMO系统的接收端采用全数字合并的处理结构，经过接收处理矩阵后得到的信号可表示为：

其中，矩阵M_k表示用户k的N_MS×N_S维的数字合并矩阵。若将模拟预编码器与实际信道合在一起定义为基带等效信道，有：

因此，总的基带等效信道矩阵可以表示为：

那么，用户k的接收信号y_k可以重新表示为：

其中，B_k表示M_BS×N_S维的对符号矢量s_k的数字预编码矩阵，满足B＝[B₁,B₂,...,B_K]。从上式可以看出，用户最终恢复的信号包含三部分，第一部分为期望信号，第二部分为干扰信号，第三部分为噪声。若传输的是高斯信号，那么总的频谱效率可以表示为：

其中R_i为干扰和噪声的协方差矩阵，具体表示式为：

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于通过对模拟与数字预编码矩阵的设计来提升Massive MIMO系统的频谱效率，使其在配备少量RF链路时接近于需要配备与天线相同数量RF链路的全数字预编码系统的性能。

本发明是这样实现的，一种大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法，所述混合预编码方法的模拟预编码设计基于等增益传输，通过将基带等效信道矩阵的主对角线元素相位置零来获得最大的天线阵列增益；数字预编码矩阵的设计基于标准正交化与奇异值分解，通过把期望用户映射到其它用户零空间的方式来完全消除用户之间的干扰，获得最大的频谱效率。

进一步，所述大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法包括以下步骤：

步骤一，获取基站到所有用户终端之间的信道状态信息其中H_k表示基站到用户k间的信道衰落，K为小区内总用户数；

步骤二，基于等增益传输设计唯相模拟预编码矩阵F，并基于标准正交化与奇异值分解设计基站端的数字预编码矩阵B以及用户k的数字合并矩阵M_k；

步骤三，信息数据传输开始，发送信号首先经过一个数字预编码器B处理，然后经过M_BS个射频链路，接着一个模拟预编码器F，之后N_BS根天线同时将信号馈送到无线信道；接收端各用户使用全数字合并，用户k采用数字合并器矩阵M_k对接收到的信号进行处理并恢复出原始信号。

进一步，所述模拟预编码矩阵F的第i行第j列元素：

其中，代表总的信道矩阵H共轭转置后的矩阵第i行第j列元素的相位；这种做法将基带等效信道矩阵H_eq＝H·F的主对角线元素相位置为0，以此获得最大的天线阵列增益；且由于模拟预编码器是由模拟移相器网络实现，因此矩阵F受到恒定模值的限制，满足

进一步，所述数字预编码器矩阵B_k＝G_kV_k，数字合并器矩阵M_k＝U_k，且满足B＝[B₁,B₂,...,B_K]；

其中，G_k是对A_k的标准正交化，满足G_k＝GSO(A_k)，A_k是全局等效基带信道矩阵H_eq的伪逆矩阵的第k个子块，满足H_eq ^-＝H_eq ^H(H_eqH_eq ^H)^-1＝[A₁,A₂,…,A_K]；U_k、V_k分别是进行奇异值分解的左、右酉阵，满足 为用户k的基带等效信道矩阵。

进一步，数字预编码器矩阵B_k与数字与合并器矩阵M_k的求解步骤为：

步骤一，定义用户k的基带补信道为

步骤二，计算全局等效基带信道矩阵的伪逆，得到H_eq ^-＝H_eq ^H(H_eqH_eq ^H)^-1＝[A₁,A₂,…,A_K]；因此满足即A_k存在于的零空间内；

步骤三，对A_k进行标准正交化，记为G_k＝GSO(A_k)，则G_k也存在于的零空间内，满足则用户k的信号只要与G_k相乘即可消除其它用户对其的干扰；

步骤四，对单用户MIMO等效信道做奇异值分解得：并令数字预编码器矩阵B_k＝G_kV_k，数字合并器矩阵M_k＝U_k，B＝[B₁,B₂,...,B_K]。

本发明的优点及积极效果为：模拟预编码器的设计目标为获得最大的天线阵列增益，并降低发信机的总能耗和复杂度；数字预编码器的设计目标为通过把期望用户信号映射到其它用户的零空间来完全消除用户之间的干扰，获得最大的频谱效率；现有全数字预编码技术在系统配备少量射频链路时无法使用，而本发明所述方法在系统配备少量射频链路时的性能与需要配备与天线相同数量射频链路的全数字预编码方案相比几乎没有性能损失；能以较低的实现复杂度获得较高的频谱效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法流程图。

图2是本发明实施例提供的混合预编码方案与全数字预编码方案性能比较示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法包括以下步骤：

S101：获取基站到所有用户终端之间的信道状态信息；

S102：基于等增益传输设计唯相模拟预编码矩阵，并基于标准正交化与奇异值分解设计基站端的数字预编码矩阵、以及各用户的数字合并矩阵；

S103：信息数据传输开始，发送信号首先经过一个数字预编码器处理，然后是射频链路，接着一个模拟预编码器，之后由天线将信号馈送到无线信道；接收端各用户使用全数字合并器对接收到的信号进行处理并恢复出原始信号。

本发明实施例提供的大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法的方案设计问题建模为：

将混合预编码的设计分为两部分实现，即分别设计模拟预编码器和数字预编码器。模拟预编码器的设计以获得大的天线阵列增益为目标，数字预编码器的设计以消除链路间干扰，获得最大频谱效率为目标。

1.模拟预编码器的设计

因为总的信道矩阵为则基带等效信道矩阵可以表示为H_eq＝H·F。由于模拟预编码器只能改变信号的相位，因此本发明考虑用一种基于等增益传输(EGT)的唯相模拟预编码来获得大的阵列增益。令：

其中，代表总的信道矩阵H共轭转置后的矩阵第i行第j列元素的相位。这种做法将基带等效信道矩阵H_eq的主对角线元素相位置为0，以此获得最大的天线阵列增益。由上式可知，EGT方案要求模拟预编码器矩阵F和总信道矩阵H共轭转置后的矩阵同维度，即要求基站处的RF链路数等于数据流数M_BS＝KN_MS。因此，预编码器矩阵F是一个N_BS×KN_MS维的矩阵，而基带等效信道矩阵H_eq是M_BS×M_BS维方阵。

2.数字预编码器的设计

为了获得最大的频谱效率，数字预编码矩阵的设计应完全消除用户之间的干扰，也就是要把期望用户映射到其它用户的零空间。由于全局等效基带信道矩阵为相应可定义用户k的基带补信道为首先计算全局等效基带信道矩阵H_eq的伪逆，得到：

H_eq ^-＝H_eq ^H(H_eqH_eq ^H)^-1＝[A₁,A₂,…,A_K]

式中，对矩阵H_eq ^-按N_MS列为一组进行了分块，第k个子块A_k由H_eq ^-的N_MS个列向量组成，则A_k满足：

即A_k存在于的零空间内。对做奇异值(SVD)分解可得其中都是酉矩阵，故可对每个子块A_k的进行标准正交化(Gram-Schmidtorthogonalization,GSO)，记为：

G_k＝GSO(A_k)

同样，G_k也存在于的零空间内，满足由于G_k的各列满足标准正交的关系，所以G_k的列向量是H_eq,k零空间内的标准正交基。

至此，由于只要把用户k的信号与G_k相乘即可消除所有用户之间的干扰，则多用户MIMO系统分解成了K个并行的单用户MIMO系统，每个单用户MIMO的等效信道为假设数字预编码矩阵表示为B_k＝G_kT_k的形式，对单用户MIMO等效信道做SVD分解得：

与系统最终接收信号表达式对比后发现，为了获得最大频谱效率，需设计数字预编码矩阵B_k、数字合并器矩阵M_k使得最大化，基于上式的SVD分解，取数字预编码器矩阵B_k＝G_kV_k，数字合并器矩阵M_k＝U_k。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

通过MATLAB仿真来验证所述混合预编码方案的有效性。采用几何的Saleh-Valenzuela窄带群簇信道模型，设定信道群簇数为8，每一簇内的子径数为10，到达角和离开角服从[0,2π]上的均匀分布。基站配备256根发送天线和16条RF链路，移动台侧共有8个用户，每个用户终端配备2根接收天线和2条RF链路。

图2表示不同的预编码方案所实现的频谱效率随着信噪比的变化情况。从图中可以看出，在配备少量RF链路的前提下，本发明所述混合预编码算法的性能接近于需要配备与天线相同数量RF链路的全数字预编码方案。若综合考虑复杂度因素，所述混合预编码算法不仅实现复杂度较低，且频谱效率高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法，其特征在于，所述混合预编码方法的模拟预编码设计基于等增益传输，通过将基带等效信道矩阵的主对角线元素相位置零来获得最大的天线阵列增益；数字预编码矩阵的设计基于标准正交化与奇异值分解，通过把期望用户映射到其它用户零空间的方式来完全消除用户之间的干扰，获得最大的频谱效率。

2.如权利要求1所述的大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法，其特征在于，所述大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法包括以下步骤：

步骤一，获取基站到所有用户终端之间的信道状态信息其中H_k表示基站到用户k间的信道衰落，K为小区内总用户数；

步骤二，基于等增益传输设计唯相模拟预编码矩阵F，并基于标准正交化与奇异值分解设计基站端的数字预编码矩阵B以及用户k的数字合并矩阵M_k；

步骤三，信息数据传输开始，发送信号首先经过一个数字预编码器B处理，然后经过M_BS个射频链路，接着一个模拟预编码器F，之后N_BS根天线同时将信号馈送到无线信道；接收端各用户使用全数字合并，用户k采用数字合并器矩阵M_k对接收到的信号进行处理并恢复出原始信号。

3.如权利要求2所述的大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法，其特征在于，所述模拟预编码矩阵F的第i行第j列元素：

其中，代表总的信道矩阵H共轭转置后的矩阵第i行第j列元素的相位；这种做法将基带等效信道矩阵H_eq＝H·F的主对角线元素相位置为0，以此获得最大的天线阵列增益；且由于模拟预编码器是由模拟移相器网络实现，因此矩阵F受到恒定模值的限制，满足

4.如权利要求2所述的大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法，其特征在于，数字预编码器矩阵B_k＝G_kV_k，数字合并器矩阵M_k＝U_k，且满足B＝[B₁,B₂,...,B_K]；

其中，G_k是对A_k的标准正交化，满足G_k＝GSO(A_k)，A_k是全局等效基带信道矩阵H_eq的伪逆矩阵的第k个子块，满足H_eq ^-＝H_eq ^H(H_eqH_eq ^H)^-1＝[A₁,A₂,…,A_K]；U_k、V_k分别是进行奇异值分解的左、右酉阵，满足为用户k的基带等效信道矩阵。

5.如权利要求4所述的大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法，其特征在于，数字预编码器矩阵B_k与数字与合并器矩阵M_k的求解步骤为：

步骤一，定义用户k的基带补信道为

步骤二，计算全局等效基带信道矩阵的伪逆，得到H_eq ^-＝H_eq ^H(H_eqH_eq ^H)^-1＝[A₁,A₂,…,A_K]；因此满足即A_k存在于的零空间内；

步骤三，对A_k进行标准正交化，记为G_k＝GSO(A_k)，则G_k也存在于的零空间内，满足则用户k的信号只要与G_k相乘即可消除其它用户对其的干扰；

步骤四，对单用户MIMO等效信道做奇异值分解得：并令数字预编码器矩阵B_k＝G_kV_k，数字合并器矩阵M_k＝U_k，B＝[B₁,B₂,...,B_K]。