CN108494452A - 毫米波大规模mimo-ofdm系统中多用户混合波束赋形算法和实现装置 - Google Patents

毫米波大规模mimo-ofdm系统中多用户混合波束赋形算法和实现装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毫米波大规模MIMO‑OFDM系统中多用户混合波束赋形的算法及实现装置，用于实现大规模MIMO‑OFDM系统中，针对多用户的混合波束赋形设计。该算法根据多载波信道均值的主分量来联合设计基站端和用户端的模拟编码矩阵，从而有效的保证了基站和用户之间射频增益的最大化；同时根据信漏噪比最大化准则来设计基站端的数字编码矩阵，有效地降低了不同子载波下用户信号的泄露，从而在保证系统频谱效率的同时，降低系统的中断概率，并且该算法在低信噪比的情况下的性能更优。

Description

毫米波大规模MIMO-OFDM系统中多用户混合波束赋形算法和 实现装置
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及毫米波大规模 MIMO-OFDM系统中混合波束赋形算法以及对应的实现装置。
背景技术
由于毫米波拥有丰富的频谱资源，和非常高的传输速率，使得毫米波通信已经成为最具潜力的通信技术之一。但毫米波易被空气吸收，导致路径损耗非常严重，因此需要波束赋形技术来提高传输质量和系统容量。而传统的数字波束赋形技术需要的硬件开销非常大，使得大规模天线系统无法承受数字波束赋形技术的复杂度。近年来，通过结合数字波束赋形技术和模拟波束赋形技术而成的混合波束赋形技术，大大降低了波束赋形技术的硬件开销，同时使性能基本与数字波束赋形技术持平，成为了毫米波通信的关键技术之一。
目前的混合波束赋形技术大多使用单用户或多用户单载波技术，即每个用户配备单个子载波，没有充分利用毫米波的丰富的频谱资源。为了提高频谱利用率，进一步提高系统容量，我们提出了基于信漏噪比的多用户MIMO-OFDM混合波束赋形算法和实现装置。
发明内容
本发明提出了一种毫米波大规模MIMO-OFDM系统中基于信道矩阵主分量和信漏噪比的多用户混合波束赋形算法及实现装置，该算法在实现过程中，根据信道矩阵的主分量来设计模拟编码器和编码器，从而有效的保证了基站与用户之间射频增益的最大化；同时，该算法根据信漏噪比最大化的准则来设计数字编码器，有效的降低了用户信号之间的干扰，在保证系统频谱效率的同时降低了系统的中断概率。
本发明的具体实现过程如下：
步骤1：系统模型
如图1，其中FB[n]和FR分别表示基站端子载波n对应的数字编码器和模拟编码器，发送给每个用户的数据流数为Ns，基站对应的RF 链路数目为NR，天线数目为Nt，表示第k个用户对应的模拟编码器，表示第k个用户中子载波n对应的数字编码器。
用户k接收到子载波n对应信号可以表示为(1)：
其中是子载波n对应的等效基带信道，则用户 k在子载波n对应的信漏噪比可以表示为(2)：
这里我们以信漏噪比为标准来设计基站和用户端不同子载波对应的混合编码矩阵，不同子载波对应的混合编码矩阵可以通过(3) 获得
其中和分别表示满足常数模值约束和的复数集合。
步骤2：模拟编码器设计
基站端的模拟编码器可以进一步表示为从而模拟编码器可以通过(4)获得
其中vecdiag(·)表示矩阵对角元素的向量化。根据Jensen不等式对(4) 进行简化，从而次优的模拟编码矩阵可以通过(5)获得
对多个子载波的信道矩阵的均值进行SVD分解 Q＝UΣVH，从而得到对应的基站端和第k个用户对应的模拟编码器
其中V1和U1分别为酉矩阵V和U的前Ns列。
步骤3：数字编码器设计
基站端的子载波n对应的数字编码器可以通过(8)获得
式(8)的目标函数可以进一步表示为(9)
其中从而得到
其中是和的前Ns个最大广义特征值对应的广义特征向量。
步骤4：数字编码器设计
根据上述描述假定基站端子载波n对应的数字和模拟编码器以及用户端的模拟编码器已经确定，从而得到用户k在子载波n下对应的数字编码器
附图说明
图1是提出的大规模MIMO-OFDM多用户混合波束赋形架构。
图2是提出的大规模MIMO-OFDM多用户混合波束赋形系统实现装置示意图。

Claims (5)

1.一种毫米波大规模MIMO-OFDM系统中多用户混合波束赋形的算法，其特征在于，首先根据信道矩阵的主分量来设计模拟编码器，保证基站和用户之间射频增益的最大化，在此基础上，基于信漏噪比最大化准则设计不同子载波对应的数字编码器，同时根据匹配滤波器设计不同用户对应子载波下的数字编码矩阵。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对基站模拟编码矩阵和用户模拟编码矩阵进行了联合设计，具体包括
下行链路子载波n对应的等效基带信道矩阵为
其中FR和分别对应基站端模拟编码矩阵和用户端模拟编码矩阵，通过式(2)进行联合设计
其中vecdiag(·)表示矩阵对角元素的向量化。其中和分别表示满足常数模值约束和的复数集合。
对矩阵进行SVD分解Q＝UΣVH，从而得到基站端和第k个用户端对应的模拟编码器
其中V1和U1分别为酉矩阵V和U的前Ns列。
3.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，根据信漏噪最大化准则，在基站端模拟编码矩阵FR和用户端模拟编码矩阵已知的情况下，进行基站端不同子载波对应的数字编码矩阵的设计，具体包括：
用户k在子载波n中对应的信漏噪比为
基站端子载波n对应的数字编码矩阵的设计公式为
其中根据(6)从而得到子载波n对应的数字编码矩阵
其中是和的前Ns个最大特征值对应的广义特征向量。
4.根据权利要求1，2和3中所述的方法，其特征在于，根据匹配滤波器准则，在基站端模拟编码矩阵FR，用户端模拟编码矩阵和基站端不同子载波对应的数字编码矩阵已知的情况下，进行用户端不同子载波对应的数字编码器的设计，具体包括：
用户k在子载波n下对应的数字编码器
5.一种大规模天线系统中多用户混合波束赋形的装置，包括：
数字编码器模块，按照权利要求1和3所述的方法，用于计算基带端的数字编码矩阵；
快速傅里叶反变换模块，按照权利要求1和3所述的方法，用于实现对不同子载波进行IFFT变换；
加循环前缀模块，按照权利要求1和3所述的方法，用于实现对IFFT变换后的信号添加循环前缀；
模拟编码器计算模块，按照权利要求1和2所述方法，用于计算模拟预编码矩阵；
用户端的模拟编码器计算模块，按照权利要求1和2所述方法，用于计算用户端模拟编码矩阵。
用户端的去循环前缀模块，按照权利要求1和4所述方法，用于实现对接收到的信号去循环前缀。
用户端的快速傅里叶变换模块，按照权利要求1和4所述的方法，用于实现对不同子载波进行FFT变换；
用户端的数字编码器模块，按照权利要求1和4所述的方法，用于计算用户端的数字编码矩阵。
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