CN108847874B - 一种用于毫米波rsm-mimo系统的数模混合预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信抗干扰技术领域，具体的说是涉及一种用于毫米波RSM‑MIMO系统的数模混合预编码方法。本发明主要为了提升系统的BER性能，具体方法如下：发射端首先引入一个扰动矢量，对发送信号进行整形，然后进行数模混合预编码，在接收端使用简单的取模运算消除该扰动矢量后进行判决。本发明的有益效果为，传统的数模混合预编码技术和纯数字预编码技术相比，会有一定的BER性能损失，而本发明在发射端引入一个扰动矢量之后，能够有效地降低迫零预编码造成的噪声放大的问题，故与传统设计相比，本发明能大大地提升系统的BER性能。

Description

一种用于毫米波RSM-MIMO系统的数模混合预编码方法

技术领域

本发明属于通信抗干扰技术领域，涉及接收端空间调制(Receive SpatialModulation,RSM)技术，矢量扰动(Vector Perturbation，VP)预编码，数模混合(Digtal-Analog Hybrid,DAH)技术，毫米波通信(Millimeter-Wave(mmWave)Communication)，以及多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术，具体的说是涉及一种用于毫米波RSM-MIMO系统的矢量扰动预编码辅助的数模混合方法。

背景技术

MIMO系统相对于单输入单输出(SISO)系统，在系统容量上有了很大的提升。但是由于MIMO系统中配备多个昂贵的射频链路，使得硬件的成本和复杂度都增加很大，因此，为了降低硬件成本，人们提出了数模混合预编码技术。在模拟域利用相对廉价的移相器等器件能大大地减少射频链数，从而降低硬件成本。

新兴起的毫米波通信技术能提供大量的带宽，并且有效提高通信容量，因此被视为5G移动网络的一个重要部分。将毫米波技术与MIMO技术相结合(mmWave-MIMO)可以克服毫米波传播的高路径损耗的问题，而新兴的RSM技术可以为mmWave-MIMO提供低复杂度和高速率设计，因此提出了毫米波RSM-MIMO系统。为了在提供可从MIMO系统获得的确定分集增益的同时减少RF的成本损耗，数模混合预编码是一个很有效的技术,但是随着数模混合技术的引入，系统的BER性能相较于纯数字预编码会有损失。于是本发明提出了一种用于毫米波RSM-MIMO系统的矢量扰动预编码辅助的数模混合方法。

发明内容

本发明的目的，就是提出一种用于毫米波RSM-MIMO系统的矢量扰动预编码辅助的数模混合方法。

本发明的技术方案如下：

一种用于毫米波RSM-MIMO系统的数模混合预编码方法，设定毫米波RSM-MIMO系统具有L条多径，N_t根发射天线和N_r根接收天线，用于传输每组为b比特的数字信号；其中每组b比特数据经过RSM调制后映射为天线序号i和APM符号x，毫米波信道矩阵为：

其中，

α_l～N(0,1)，

和

表示天线的阵列响应向量，且

λ为波长，d为内置天线间的距离；

其特征在于，对已知的毫米波信道

和发射信号x进行矢量扰动预编码辅助的数模混合方法包括以下步骤：

S1、设置模拟预编码矩阵W如下：

W＝A_MS(φ₀)；

φ₀为波束成形指向；

S2、根据模拟预编码矩阵W将等效的信道矩阵

转化为：

S3、根据等效的信道矩阵

设置数字端迫零预编码矩阵为：

S4、利用矢量扰动预编码技术对整个发送数据矢量加入一个扰动的矢量，即：

v＝x+τl；

其中l即为扰动矢量，l是一个K维的复向量，

τ是一个正实数，通常选为

τ＝2|c|_max+Δ；

其中，|c|_max为QAM星座集合中具有最大幅度星座点符号的模值，Δ表示星座点符号间的最小欧式距离；

S5、经过S3和S4后的发送信号为：

其中，P为信号发射功率。γ的表达式为：

γ＝||F_ZFv||²＝||F_ZF(x+τl)||²

S6、根据迫零预编码矩阵得到混合预编码后的接收信号为：

其中

本发明的有益效果在于，传统的数模混合预编码技术和纯数字预编码技术相比，会有一定的性能损失，而本发明在数模混合的基础上引入矢量扰动预编码，对发送符号进行整形，在接收端使用简单的取模运算消除该扰动矢量后进行判决，故与传统设计相比，能够大大地提升系统的BER性能。

附图说明

图1是本发明的基于矢量扰动辅助的数模混合的毫米波RSM系统框图；

图2是本发明基于矢量扰动辅助的数模混合的毫米波RSM系统的BER性能图；

具体实施方式

下面将结合附图，详细描述本发明的技术方案。

毫米波RSM-MIMO系统中的数模混合技术能够减少系统的射频链路，从而降低硬件成本，但是与传统的RSM系统相比会有相应的BER性能损失。为了解决这一问题，本发明将矢量扰动预编码技术应用于数模混合毫米波RSM系统中。同传统数模混合RSM系统一样，本发明在数字端仍然采用迫零预编码，在模拟域则引入波束成形技术，但是在发射端引入一个扰动矢量来对发射信号进行整形，在接收端使用简单的取模运算消除该扰动矢量后直接进行判决。具体实施方案如下：发射端首先引入一个扰动矢量对发送信号进行整形，然后在数字端做迫零预编码，最后在模拟域用移相器来调节相位使发射天线全对准接收端的激活天线，使接收端激活天线的功率达到最大，系统框图如图1所示，可以看到与传统的数模混合RSM系统模型相比，该模型在发射端增加了一个矢量扰动模块，能中和迫零预编码中的噪声放大的问题，从而提高系统的BER性能。

考虑一个有N_t根发送天线，N_r根接收天线，多径数为L的毫米波接收端空间调制系统，更具体的，假设N_t＝4,N_r＝2。选取调制阶数M＝4的正交相移键控(QPSK)调制方式，则该系统的传输速率为：m＝log₂(M)+log₂(N_r)。若待传输的比特数据为b＝101，则前一个比特对应RSM系统中的天线索引映射，后两个比特对应QPSK调制符号映射，因此RSM映射之后对应的接收端激活天线为第2根，对应的QPSK符号为-1+i，则发送信号向量为：

x＝[0,-1+i]^T

加入一个扰动矢量后得到的整形后的发送向量为：

v＝x+τl

接下来进行混合预编码。首先设计模拟预编码矩阵W，现考虑等距天线阵列的情况，可利用天线阵列响应矩阵来设计模拟预编码矩阵，若要波束成形指向φ₀，则设置模拟预编码矩阵为W＝A_MS(φ₀)。

已知毫米波信道矩阵为:

其中

又

则其是一个主对角占优的矩阵。

将

看作等效信道矩阵

其维度为N_r×L，在大规模天线阵列毫米波通信系统中，多径数是远远小于发射天线数的，则对该系统做模拟预编码后的等效信道矩阵相当于对原信道矩阵进行了降维操作。在设计数字端的迫零预编码矩阵F_ZF时直接对等效信道

作处理，能极大地降低了系统的复杂度，则有:

在进行数模混合之后，系统的接收信号可以写成：

仿真结果见说明书附图的图2，图2给出了本发明矢量扰动预编码辅助的数模混合毫米波RSM系统的BER性能，可以看出：在高SNR的情况下，本发明的矢量扰动预编码辅助的数模混合毫米波RSM系统与传统数模混合和纯数字预编码毫米波RSM系统相比，有较好的BER性能增益。

综上所述：和传统设计相比，本发明能极大地提高系统的BER性能。

Claims (1)

1.一种用于毫米波RSM-MIMO系统的数模混合预编码方法，设定毫米波RSM-MIMO系统具有L条多径，N_t根发射天线和N_r根接收天线，用于传输每组为b比特的数字信号；其中每组b比特数据经过SM调制后映射为天线序号i和APM符号x，毫米波信道矩阵为：

其中，

和

表示天线的阵列响应向量，且

λ为波长，d为内置天线间的距离；

其特征在于，对已知的毫米波信道

和发射信号x进行数模混合预编码，包括以下步骤：

S1、设置模拟预编码矩阵W如下：

W＝A_MS(φ₀)；

φ₀为波束成形指向；

S2、根据模拟预编码矩阵W将等效的信道矩阵

转化为：

S3、根据等效的信道矩阵

设置数字端迫零预编码矩阵为：

S4、利用矢量扰动预编码技术对整个发送数据矢量x加入一个扰动的矢量，即：

v＝x+τl；

其中l即为扰动矢量，l是一个K维的复向量，

τ是一个正实数，选为：

τ＝2|c|_max+△；

其中，|c|_max为QAM星座集合中具有最大幅度星座点符号的模值，△表示星座点符号间的最小欧式距离；

S5、经过S3和S4后的发送信号为：

其中，P为信号发射功率，γ的表达式为：

γ＝||F_ZFv||²＝||F_ZF(x+τl)||²

S6、根据迫零预编码矩阵得到混合预编码后的接收信号为：

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