CN109756254B - 一种混合预编码处理方法及相关设备 - Google Patents

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CN109756254B CN201910044306.XA CN201910044306A CN109756254B CN 109756254 B CN109756254 B CN 109756254B CN 201910044306 A CN201910044306 A CN 201910044306A CN 109756254 B CN109756254 B CN 109756254B
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Abstract

本发明公开了一种混合预编码处理方法及相关设备，适用于毫米波大规模MIMO系统的基站设备，毫米波大规模MIMO系统包括基站设备和终端设备，包括K个用户终端，所传输的数据流为Ns个。该方法包括：获取待传输的KNs个数据流。基于基带数字预编码矩阵对KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流。基于模拟预编码矩阵对KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure DDA0001948637110000011
本发明实施例中利用通用子阵列架构在基站设备处对待传输的数据流进行模拟预编码和数字预编码，能减少硬件数量和降低混合编码的迭代次数，有效降低硬件成本和功耗。

Description

一种混合预编码处理方法及相关设备
技术领域
本发明涉及信息与通信工程技术领域，更具体的说是涉及一种混合预编码处理方法及相关设备。
背景技术
随着5G(第五代移动通信)数据速率需求的增大，因具有潜在的复用/多样性增益的较短波长的毫米波大规模MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)技术也受到广泛关注。大规模MIMO系统中大的阵列增益是由数百个乃至更多的天线实现，目前采用毫米波技术与大规模MIMO技术结合能够极大减少大规模天线阵列的物理尺寸，同时大规模MIMO可以通过预编码技术提供足够的阵列增益，以克服毫米波信号的自由空间路径损耗，建立满足SNR(Signal-Noise Ratio，信噪比)的链路。
在现有技术中，为降低现有全数字基带预编码方案需要为每个天线提供RF(射频)链所带来的高硬件成本和能量消耗，提出来混合模拟和数字预编码的方案。混合预编码是在确保性能损失较小的情况下，通过将预编码去耦合到模拟域和基带域来减少RF链的数量的方法。根据RF链到天线的映射关系，混合预编码收发器架构可以分为全连接架构和子阵列架构。不同的架构具有不同的混合预编码方式。但是，目前不论是针对全连接架构的混合预编码，还是子阵列架构的混合预编码，都受到硬件成本和功耗的限制。
因此，当前亟需一种实现不同混合预编码架构下要求硬件复杂度低，且功耗小的混合预编码方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种混合预编码处理方法及相关设备，以实现低硬件复杂度、低功耗的混合预编码处理的目的。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明实施例第一方面公开了一种混合预编码处理方法，适用于毫米波大规模MIMO系统的基站设备，所述毫米波大规模MIMO系统包括所述基站设备和终端设备，所述基站设备配置有Nt根天线，NRF个射频RF链，NRF＜Nt，所述终端设备配置有Nr根天线，包括K个用户终端，每个所述用户终端的射频链数为Lr，所传输的数据流为Ns个，所述方法包括：
获取待传输的KNs个数据流；
基于基带数字预编码矩阵
Figure BDA0001948637090000021
对所述KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流，其中，
Figure BDA0001948637090000022
为
Figure BDA0001948637090000023
零空间正交基，
Figure BDA0001948637090000024
为除第k个用户终端以外包含其他用户终端的等效矩阵，k＝1,2,···,K；
基于模拟预编码矩阵
Figure BDA0001948637090000025
对所述KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure BDA0001948637090000026
其中，
Figure BDA0001948637090000027
为所述模拟预编码矩阵FRF的非零权重，
Figure BDA0001948637090000028
j＝1,2,…,NRF，m＝1,2,…,Ms，Ms表示连接到一个RF链的移相器的个数，
Figure BDA0001948637090000029
Figure BDA00019486370900000210
为第k个用户终端的基带组合器，
Figure BDA00019486370900000211
为第k个用户终端的等效基带信道，
Figure BDA00019486370900000212
为第k个用户终端的组合矩阵，
Figure BDA00019486370900000216
为所述K个用户终端的总的信号矢量，
Figure BDA00019486370900000217
是指第k个用户终端的信道矩阵，nk∈Nr×1为满足方差为
Figure BDA00019486370900000213
的加性高斯白噪声的噪声向量。
优选的，还包括：
基于所述模拟预编码矩阵FRF，所述基带数字预编码矩阵FBB，所述第k个用户终端的组合矩阵
Figure BDA00019486370900000214
所述第k个用户终端的基带组合器
Figure BDA00019486370900000215
确定所述毫米波大规模MIMO系统的总频谱效率R和所述毫米波大规模MIMO系统的最大频谱效率Rmax；
其中，
Figure BDA0001948637090000031
Ri为干扰和噪声的协方差矩阵，
Figure BDA0001948637090000032
Figure BDA0001948637090000033
优选的，所述模拟预编码矩阵
Figure BDA0001948637090000034
的获得过程包括：
获取下行链路信道矩阵H的共轭转置矩阵HH；
基于所述共轭转置矩阵HH和
Figure BDA0001948637090000035
得到模拟预编码矩阵
Figure BDA0001948637090000036
其中，H＝[h1 h2 … hK]T，FRF(s,t)表示FRF矩阵中第s行、第t列的元素，angle(HH(s,t))表示矩阵HH中第s行、第t列元素的相位，s＝1,…Ms，t＝1+(Ms-ΔM)(s-1),…s×Ms-ΔM(s-1)，FRF中的其他元素为0，ΔM表示重叠子阵列的数量，0≤ΔM≤Ms。
优选的，所述第k个用户终端的组合矩阵
Figure BDA0001948637090000037
和用户终端的等效基带信道Heq的获得过程包括：
基于
Figure BDA0001948637090000038
和所述模拟预编码矩阵
Figure BDA0001948637090000039
对Qi(i)进行奇异值分解，得到
Figure BDA00019486370900000310
并基于启发式的相位求解方法得到
Figure BDA00019486370900000311
其中，
Figure BDA00019486370900000312
利用所述模拟预编码矩阵
Figure BDA0001948637090000041
和
Figure BDA0001948637090000042
确定用户终端的等效基带信道Heq，
Figure BDA0001948637090000043
优选的，所述基带数字预编码矩阵
Figure BDA0001948637090000044
的获得过程包括：
构建除第k个用户终端以外包含其他用户终端的等效矩阵
Figure BDA0001948637090000045
所述等效矩阵
Figure BDA0001948637090000046
基于
Figure BDA0001948637090000047
用户终端的等效基带信道
Figure BDA0001948637090000048
和所述等效矩阵
Figure BDA0001948637090000049
在
Figure BDA00019486370900000410
的情况下，对所述等效矩阵
Figure BDA00019486370900000411
进行处理，得到基带数字预编码矩阵
Figure BDA00019486370900000412
本发明实施例第二方面公开了一种混合预编码处理系统，适用于毫米波大规模MIMO系统的基站设备，所述毫米波大规模MIMO系统包括所述基站设备和终端设备，所述基站设备配置有Nt根天线，NRF个射频RF链，NRF＜Nt，所述终端设备配置有Nr根天线，包括K个用户终端，每个所述用户终端的射频链数为Lr，所传输的数据流为Ns个，所述系统包括：
获取模块，用于获取待传输的KNs个数据流；
基带数字预编码模块，用于基于基带数字预编码矩阵
Figure BDA00019486370900000413
对所述KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流，其中，
Figure BDA00019486370900000414
为
Figure BDA00019486370900000415
零空间正交基，
Figure BDA00019486370900000416
为除第k个用户终端以外包含其他用户终端的等效矩阵，k＝1,2,···,K；
模拟预编码模块，用于基于模拟预编码矩阵
Figure BDA00019486370900000417
对所述KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure BDA00019486370900000418
其中，
Figure BDA0001948637090000051
为所述模拟预编码矩阵FRF的非零权重，
Figure BDA0001948637090000052
j＝1,2,…,NRF，m＝1,2,…,Ms，Ms表示连接到一个RF链的移相器的个数，
Figure BDA0001948637090000053
为第k个用户终端的基带组合器，
Figure BDA0001948637090000054
为第k个用户终端的等效基带信道，
Figure BDA0001948637090000055
为第k个用户终端的组合矩阵，
Figure BDA00019486370900000519
为所述K个用户终端的总的信号矢量，
Figure BDA00019486370900000520
是指第k个用户终端的信道矩阵，nk∈Nr×1为满足方差为
Figure BDA0001948637090000056
的加性高斯白噪声的噪声向量。
优选的，还包括：
频谱计算模块，用于基于所述模拟预编码矩阵FRF，所述基带数字预编码矩阵FBB，所述第k个用户终端的组合矩阵
Figure BDA0001948637090000057
所述第k个用户终端的基带组合器
Figure BDA0001948637090000058
确定所述毫米波大规模MIMO系统的总频谱效率R和所述毫米波大规模MIMO系统的最大频谱效率Rmax；
其中，
Figure BDA0001948637090000059
Ri为干扰和噪声的协方差矩阵，
Figure BDA00019486370900000510
优选的，所述基带数字预编码模块，包括：
构建单元，用于构建除第k个用户终端以外包含其他用户终端的等效矩阵
Figure BDA00019486370900000511
所述等效矩阵
Figure BDA00019486370900000512
基带数字预编码单元，用于基于
Figure BDA00019486370900000513
用户终端的等效基带信道
Figure BDA00019486370900000514
和所述等效矩阵
Figure BDA00019486370900000515
在
Figure BDA00019486370900000516
的情况下，对所述等效矩阵
Figure BDA00019486370900000517
进行处理，得到基带数字预编码矩阵
Figure BDA00019486370900000518
本发明实施例第三方面公开了一种基站设备，包括本发明实施例第二方面公开的混合预编码处理系统。
本发明第四方面公开了一种毫米波大规模MIMO系统，包括本发明实施例第三方面公开的基站设备和终端设备，所述基站设备配置有Nt根天线，NRF个射频RF链，NRF＜Nt，所述终端设备配置有Nr根天线，包括K个用户终端，每个所述用户终端的射频链数为Lr，所传输的数据流为Ns个。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明实施例公开了一种混合预编码处理方法及相关设备，通过获取待传输的KNs个数据流。基于基带数字预编码矩阵对KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流。基于模拟预编码矩阵对KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure BDA0001948637090000061
本发明实施例中利用通用子阵列架构在基站设备处对待传输的数据流进行模拟预编码和数字预编码，能减少硬件数量和降低混合编码的迭代次数，有效降低硬件成本和功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1a为本发明实施例提供的适用于混合预编码的阵列结构的架构图；
图1b为本发明实施例提供的适用于混合预编码的阵列结构的架构图；
图1c为本发明实施例提供的适用于混合预编码的阵列结构的架构图；
图2为本发明实施例提供的一种混合预编码处理方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种混合预编码处理方法的实施架构图；
图4为本发明实施例提供的获取模拟预编码矩阵的流程图；
图5为本发明实施例提供的获取数字预编码矩阵的流程图；
图6为本发明实施例提供的一种混合预编码处理系统的结构框图；
图7为本发明实施例提供的一种混合预编码处理系统的结构框图；
图8为本发明实施例提供的一种混合预编码处理系统的结构框图；
图9为本发明实施例提供的一种混合预编码处理系统的结构框图。
具体实施方式
为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下：
SVD分解：Singularvalue decomposition，奇异值分解，是一种正交矩阵分解法；
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由背景技术可知，在现有技术中，为降低现有全数字基带预编码方案需要为每个天线提供RF(射频)链所带来的高硬件成本和能量消耗，提出来混合模拟和数字预编码的方案。混合预编码是在确保性能损失较小的情况下，通过将预编码去耦合到模拟域和基带域来减少RF链的数量的方法。根据RF链到天线的映射关系，混合预编码收发器架构可以分为全连接架构和子阵列架构。不同的架构具有不同的混合预编码方式。但是，目前不论是针对全连接架构的混合预编码，还是子阵列架构的混合预编码，都受到硬件成本和功耗的限制。
因此本发明实施例提供一种混合预编码处理方法及相关设备，通过利用通用子阵列架构，在基站设备处对待传输的数据流进行模拟预编码和数字预编码，能减少硬件数量和降低混合编码的迭代次数，有效降低硬件成本和功耗。
下述本发明实施例涉及到的混合预编码处理方法及相关设备，适用于图1a-图1c示出的混合预编码的阵列结构。参考图1a、图1b和图1c，分别示出了全连接架构示意图、非重叠子阵架构示意图和重叠子阵架构示意图。在所述图1a中，每个射频(Radio Frequency，RF)链连接到所有天线，模拟预编码需要NtNRF个移相器。在所述图1b中，每个RF链仅连接到天线子阵列，由于所述子阵列为连续的，因此需要Nt个移相器。在所述图1c中，每个RF链连接到天线子阵列，但所述子阵列为重叠子阵，由于重叠子阵中的一些天线也可能连接到多个RF链，因此需要NRFMs个移相器，其中Ms表示连接到一个RF链所需的移相器的数量，即每个子阵列中用于预编码的天线数量，ΔM为重叠子阵的数量。
在所述图1c中，当ΔM＝Ms＝Nt/NRF时，所述图1c中的重叠子阵架构相当于所述图1b中的非重叠子阵架构。当ΔM＝Ms＝Nt时，所述图1c中的重叠子阵架构相当于所述图1a中的全连接架构。本发明实施例涉及到的内容是基于重叠子阵架构上的，因此在所述图1c中，需要满足0≤ΔMs＜Ms。即当0≤ΔMs＜Ms时，所述图1c中的子阵架构为重叠子阵架构。
需要说明的是，上述图1a至图1c中示出的内容仅用于举例说明。
参考图2，示出了本发明实施例提供的一种混合预编码处理方法的流程图，所述方法适用于毫米波大规模MIMO系统的基站设备，所述毫米波大规模MIMO系统包括所述基站设备和终端设备，所述基站设备配置有Nt根天线，NRF个射频RF链，NRF＜Nt，所述终端设备配置有Nr根天线，包括K个用户终端，每个所述用户终端的射频链数为Lr，所传输的数据流为Ns个，所述方法包括以下步骤：
步骤S201：获取待传输的KNs个数据流。
在具体实现步骤S201的过程中，由上述涉及到的终端设备配置可知，终端设备最多配置由K个用户终端，每个所述用户终端的射频链数为Lr，所传输的数据流为Ns个，因此所述MIMO系统最多传输的数据流的个数为KNs个。K为正整数。
步骤S202：基于基带数字预编码矩阵FBB，对所述KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流。
基带数字预编码矩阵FBB如公式(1)所示：
Figure BDA0001948637090000081
其中，
Figure BDA0001948637090000082
为
Figure BDA0001948637090000083
零空间正交基，
Figure BDA0001948637090000084
为除第k个用户终端以外包含其他用户终端的等效矩阵，k＝1,2,···,K。
在具体执行步骤S202的过程中，所述基带数字预编码矩阵为预先构建好的矩阵。
步骤S203：基于模拟预编码矩阵FRF对所述KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure BDA0001948637090000086
所述模拟预编码矩阵FRF如公式(2)所示：
Figure BDA0001948637090000085
其中，
Figure BDA0001948637090000091
为所述模拟预编码矩阵FRF的非零权重，
Figure BDA0001948637090000092
j＝1,2,…,NRF，m＝1,2,…,Ms，Ms表示连接到一个RF链的移相器的个数。
在具体实现步骤S203的过程中，基于公式(3)得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure BDA0001948637090000093
所述公式(3)为：
Figure BDA0001948637090000094
其中，
Figure BDA0001948637090000095
为第k个用户终端的基带组合器，
Figure BDA0001948637090000096
为第k个用户终端的等效基带信道，
Figure BDA0001948637090000097
为第k个用户终端的组合矩阵，
Figure BDA00019486370900000917
为所述K个用户终端的总的信号矢量，
Figure BDA00019486370900000916
是指第k个用户终端的信道矩阵，nk∈Nr×1为满足方差为
Figure BDA0001948637090000098
的加性高斯白噪声的噪声向量。
优选的，基于公式(4)和所述模拟预编码矩阵，对Qi(i)进行奇异值分解，得到公式(5)，并基于启发式的相位求解方法求解所述公式(5)得到所述第k个用户终端的组合矩阵
Figure BDA0001948637090000099
所述公式(4)为：
Figure BDA00019486370900000910
所述公式(5)为：
Figure BDA00019486370900000911
所述组合矩阵
Figure BDA00019486370900000912
如公式(6)所示：
Figure BDA00019486370900000913
其中，所述Qi(i)如公式(7)所示：
Figure BDA00019486370900000914
优选的，基于所述公式(5)和所述模拟预编码矩阵，确定用户终端的等效基带信道Heq。
所述用户终端的等效基带信道Heq如公式(8)所示：
Figure BDA00019486370900000915
需要说明的是，所述模拟预编码矩阵为预先构建好的矩阵。
需要说明的是，所述公式(3)由基于为每个用户定义的等效基带信道推导获得，具体推导过程如下：
对于第k个用户，经由数字预编码和模拟预编码后的接收信号yk如公式(9)所示：
Figure BDA0001948637090000101
为每个用户定义的等效基带信道Heq如公式(10)所示：
Figure BDA0001948637090000102
所述等效基带信道Heq可表示为如公式(11)所示：
Figure BDA0001948637090000103
基于所述公式(9)、公式(10)和公式(11)可以推理得到所述公式(3)。
优选的，基于所述模拟预编码矩阵FRF，所述基带数字预编码矩阵FBB，所述第k个用户终端的组合矩阵
Figure BDA0001948637090000104
所述第k个用户终端的基带组合器
Figure BDA0001948637090000105
确定所述毫米波大规模MIMO系统的总频谱效率R和所述毫米波大规模MIMO系统的最大频谱效率Rmax。其中，基于公式(12)和公式(13)获得所述最大频谱效率Rmax。
所述公式(12)为：
Figure BDA0001948637090000106
其中，Ri为干扰和噪声的协方差矩阵。
所述公式(13)为：
Figure BDA0001948637090000107
所述公式(13)中的内容可以等效为公式(14)中的重构优化问题：
所述公式(14)为：
Figure BDA0001948637090000108
在本发明实施例中，通过获取待传输的KNs个数据流。基于基带数字预编码矩阵对KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流。基于模拟预编码矩阵对KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure BDA0001948637090000111
利用通用子阵列架构，在基站设备处对待传输的数据流进行模拟预编码和数字预编码，能减少硬件数量和降低混合编码的迭代次数，有效降低硬件成本和功耗。
结合图2中的内容，为更好解释说明上述涉及到的一种混合预编码处理方法的实施流程，请参阅图3，示出了本发明实施例提供的一种混合预编码处理方法的实施架构图。
在所述图3中，将输入的数据流先经由数字预编码模块301进行数字预编码得到数字预编码数据流。再经由模拟预编码模块302对所述数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号。
需要说明的是，所述图3中示出的内容仅用于举例说明。
在本发明实施例中，通过获取待传输的KNs个数据流。基于基带数字预编码矩阵对KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流。基于模拟预编码矩阵对KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure BDA0001948637090000112
利用通用子阵列架构，在基站设备处对待传输的数据流进行模拟预编码和数字预编码，能减少硬件数量和降低混合编码的迭代次数，有效降低硬件成本和功耗。
上述图2步骤S203中涉及到的获取模拟预编码矩阵的过程，参考图4，示出了本发明实施例提供的获取模拟预编码矩阵的流程图，包括以下步骤：
步骤S401：获取下行链路信道矩阵H的共轭转置矩阵HH。
在具体实现步骤S401的过程中，基于公式(15)计算获得所述信道矩阵H。其中，预先假设第k个用户的散射体个数为L，并且每个散射体只有一条有效的传输路径。
所述公式(15)为：
Figure BDA0001948637090000113
其中，所述Hk为所述信道矩阵，
Figure BDA0001948637090000114
为第k个用户的第l路径的增益，Nt、Nr分别表示发射、接收天线的个数，l为正整数。
Figure BDA0001948637090000115
和
Figure BDA0001948637090000116
分别表示第l路径的到达角(angleofarrival，AoAs)和离开角(angle ofarrival departure，AoDs)。
Figure BDA0001948637090000117
和
Figure BDA0001948637090000118
分别表示基站和用户终端的天线阵列响应矢量。所述响应矢量的表达式与天线阵列类型有关，在本发明发明实施例中，本发明实施例采用均匀平面阵列(UniformPlanarArray，UPA)。则所述天线阵列响应矢量的表达式如公式(16)和公式(17)所示：
Figure BDA0001948637090000121
Figure BDA0001948637090000122
其中，
Figure BDA0001948637090000123
λ代表电磁波波长，d代表天线之间的间距。
步骤S402：基于所述共轭转置矩阵HH和公式(18)，得到所述模拟预编码矩阵FRF。
所述公式(18)为：
Figure BDA0001948637090000124
所述模拟预编码矩阵FRF如公式(19)所示：
Figure BDA0001948637090000125
其中，其中，H＝[h1，h2，…，hK]T，FRF(s,t)表示FRF矩阵中第s行、第t列的元素，angle(HH(s,t))表示矩阵HH中第s行、第t列元素的相位，s＝1,…Ms，t＝1+(Ms-ΔM)(s-1),…s×Ms-ΔM(s-1)，FRF中的其他元素为0，ΔM表示重叠子阵列的数量，0≤ΔM≤Ms。
在本发明实施例中，通过获取待传输的KNs个数据流。基于基带数字预编码矩阵对KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流。基于模拟预编码矩阵对KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure BDA0001948637090000126
利用通用子阵列架构，在基站设备处对待传输的数据流进行模拟预编码和数字预编码，能减少硬件数量和降低混合编码的迭代次数，有效降低硬件成本和功耗。
上述图2公开的步骤S202涉及到的获取数字预编码矩阵的过程，参考图5，示出了本发明实施例提供的获取数字预编码矩阵的流程图，包括以下步骤：
步骤S501：构建第k个用户终端以外包含其他用户终端的等效矩阵
Figure BDA0001948637090000127
所述等效矩阵
Figure BDA0001948637090000131
如公式(20)所示：
Figure BDA0001948637090000132
在具体实现步骤S501的过程中，为消除用户之间的信号干扰，需要将第k个用户的数字预编码矩阵
Figure BDA0001948637090000133
位于述等效矩阵
Figure BDA0001948637090000134
的零空间中。
步骤S502：基于用户终端的等效基带信道Heq和所述等效矩阵
Figure BDA0001948637090000135
在预定条件下对所述等效矩阵
Figure BDA0001948637090000136
进行处理，得到基带数字预编码矩阵FBB。
所述基带数字预编码矩阵FBB如公式(21)所示：
Figure BDA0001948637090000137
其中，
Figure BDA0001948637090000138
为
Figure BDA0001948637090000139
零空间正交基，V在奇异值分解中表示右奇异矩阵。
在具体实现步骤S502的过程中，所述预定条件为
Figure BDA00019486370900001310
所述用户终端的等效基带信道Heq如公式(10)所示。所述对所述等效矩阵
Figure BDA00019486370900001311
进行处理的过程为：先对所述等效矩阵
Figure BDA00019486370900001312
进行SVD分解，再进行基带块对角化，最后再进行SVD分解。具体过程在本发明实施例就不再进行赘述。
在本发明实施例中，通过获取待传输的KNs个数据流。基于基带数字预编码矩阵对KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流。基于模拟预编码矩阵对KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure BDA00019486370900001313
利用通用子阵列架构，在基站设备处对待传输的数据流进行模拟预编码和数字预编码，能减少硬件数量和降低混合编码的迭代次数，有效降低硬件成本和功耗。
需要说明的是，本发明实施例公开的一种混合预编码处理方法也适用于电磁波。
与上述本发明实施例涉及到的一种混合预编码处理方法相对应，参考图6，本发明实施例还提供一种混合预编码处理系统的结构框图，适用于毫米波大规模MIMO系统的基站设备，所述毫米波大规模MIMO系统包括所述基站设备和终端设备，所述基站设备配置有Nt根天线，NRF个射频RF链，NRF＜Nt，所述终端设备配置有Nr根天线，包括K个用户终端，每个所述用户终端的射频链数为Lr，所传输的数据流为Ns个，所述系统包括：获取模块601、基带数字预编码模块602和模拟预编码模块603。
获取模块601，用于获取待传输的KNs个数据流。具体内容参见上述本发明实施例图2公开的步骤S201相对应的内容。
基带数字预编码模块603，用于基于基带数字预编码矩阵，对所述KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流。具体内容参见上述本发明实施例图2公开的步骤S202相对应的内容。
模拟预编码模块603，用于基于模拟预编码矩阵对所述KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure BDA0001948637090000141
具体内容参见上述本发明实施例图2公开的步骤S203相对应的内容。
优选的，所述模拟预编码矩阵模块603还具体用于基于公式(4)、和所述模拟预编码矩阵对Qi(i)进行奇异值分解，得到公式(5)，并基于启发式的相位求解方法得到公式(6)。以及利用所述模拟预编码矩阵和公式(5)，确定用户终端的等效基带信道Heq。具体内容参见上述本发明实施例图2公开的步骤S203相对应的内容。
在本发明实施例中，通过获取待传输的KNs个数据流。基于基带数字预编码矩阵对KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流。基于模拟预编码矩阵对KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure BDA0001948637090000142
利用通用子阵列架构，在基站设备处对待传输的数据流进行模拟预编码和数字预编码，能减少硬件数量和降低混合编码的迭代次数，有效降低硬件成本和功耗。
优选的，参考图7，示出了本发明实施例提供的一种混合预编码处理系统的结构框图，所述系统还包括：
频谱计算模块604，用于基于所述模拟预编码矩阵FRF，所述基带数字预编码矩阵FBB，所述第k个用户终端的组合矩阵
Figure BDA0001948637090000143
所述第k个用户终端的基带组合器
Figure BDA0001948637090000144
确定所述毫米波大规模MIMO系统的总频谱效率R和所述毫米波大规模MIMO系统的最大频谱效率Rmax。
在本发明实施例中，通过获取待传输的KNs个数据流。基于基带数字预编码矩阵对KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流。基于模拟预编码矩阵对KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure BDA0001948637090000145
利用通用子阵列架构，在基站设备处对待传输的数据流进行模拟预编码和数字预编码，能减少硬件数量和降低混合编码的迭代次数，有效降低硬件成本和功耗。
优选的，参考图8，示出了本发明实施例提供的一种混合预编码处理系统的结构框图，所述模拟预编码模块603包括：
获取单元6031，用于获取下行链路信道矩阵H的共轭转置矩阵HH。具体内容参见上述本发明实施例图4公开的步骤S401相对应的内容。
模拟预编码矩阵单元6032，用于基于所述共轭转置矩阵HH和公式(18)，得到模拟预编码矩阵。具体内容参见上述本发明实施例图4公开的步骤S402相对应的内容。
在本发明实施例中，通过获取待传输的KNs个数据流。基于基带数字预编码矩阵对KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流。基于模拟预编码矩阵对KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure BDA0001948637090000151
利用通用子阵列架构，在基站设备处对待传输的数据流进行模拟预编码和数字预编码，能减少硬件数量和降低混合编码的迭代次数，有效降低硬件成本和功耗。
优选的，参考图9，示出了本发明实施例提供的一种混合预编码处理系统的结构框图，所述基带数字预编码模块602包括：
构建单元6021，用于构建除第k个用户终端以外包含其他用户终端的等效矩阵
Figure BDA0001948637090000152
具体内容参见上述本发明实施例图5公开的步骤S501相对应的内容。
基带数字预编码单元6022，用于基于用户终端的等效基带信道Heq和所述等效矩阵
Figure BDA0001948637090000153
在预定条件下对所述等效矩阵
Figure BDA0001948637090000154
进行处理，得到基带数字预编码矩阵FBB。具体内容参见上述本发明实施例图5公开的步骤S502相对应的内容。
在本发明实施例中，通过获取待传输的KNs个数据流。基于基带数字预编码矩阵对KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流。基于模拟预编码矩阵对KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure BDA0001948637090000155
利用通用子阵列架构，在基站设备处对待传输的数据流进行模拟预编码和数字预编码，能减少硬件数量和降低混合编码的迭代次数，有效降低硬件成本和功耗。
本发明实施例还提供了一种基站设备，所述设备包括上述图6至图9示出的混合预编码处理系统。
本发明实施例还提供了一种毫米波大规模MIMO系统，包括上述涉及到的基站设备和终端设备，所述基站设备配置有Nt根天线，NRF个射频RF链，NRF＜Nt，所述终端设备配置有Nr根天线，包括K个用户终端，每个所述用户终端的射频链数为Lr，所传输的数据流为Ns个。
综上所述，本发明公开了一种混合预编码处理方法及相关设备，通过获取待传输的KNs个数据流。基于基带数字预编码矩阵对KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流。基于模拟预编码矩阵对KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure BDA0001948637090000161
本发明实施例中，利用通用子阵列架构，在基站设备处对待传输的数据流进行模拟预编码和数字预编码，能减少硬件数量和降低混合编码的迭代次数，有效降低硬件成本和功耗。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种混合预编码处理方法，其特征在于，适用于毫米波大规模MIMO系统的基站设备，所述毫米波大规模MIMO系统包括所述基站设备和终端设备，所述基站设备配置有Nt根天线，NRF个射频RF链，NRF＜Nt，所述终端设备配置有Nr根天线，包括K个用户终端，每个所述用户终端的射频链数为Lr，所传输的数据流为Ns个，所述方法包括：
获取待传输的KNs个数据流；
基于基带数字预编码矩阵
Figure FDA0002388874060000011
对所述KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流，其中，
Figure FDA0002388874060000012
为
Figure FDA0002388874060000013
零空间正交基，
Figure FDA0002388874060000014
为除第k个用户终端以外包含其他用户终端的等效矩阵，k＝1,2,…,K；
基于模拟预编码矩阵
Figure FDA0002388874060000015
对所述KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure FDA0002388874060000016
其中，
Figure FDA0002388874060000017
为所述模拟预编码矩阵FRF的非零权重，
Figure FDA0002388874060000018
j＝1,2,…,NRF，m＝1,2,…,Ms，Ms表示连接到一个RF链的移相器的个数，
Figure FDA0002388874060000019
Figure FDA00023888740600000110
为第k个用户终端的基带组合器，
Figure FDA00023888740600000111
为第k个用户终端的等效基带信道，
Figure FDA00023888740600000112
为第k个用户终端的组合矩阵，
Figure FDA00023888740600000113
为所述K个用户终端的总的信号矢量，
Figure FDA00023888740600000114
是指第k个用户终端的信道矩阵，nk∈Nr×1为满足方差为
Figure FDA00023888740600000115
的加性高斯白噪声的噪声向量；
其中，所述模拟预编码矩阵
Figure FDA00023888740600000116
的获得过程包括：
获取下行链路信道矩阵H的共轭转置矩阵HH；
基于所述共轭转置矩阵HH和
Figure FDA00023888740600000117
得到模拟预编码矩阵
Figure FDA0002388874060000021
其中，H＝[h1 h2…hK]T，FRF(s,t)表示FRF矩阵中第s行、第t列的元素，angle(HH(s,t))表示矩阵HH中第s行、第t列元素的相位，s＝1,…Ms，t＝1+(Ms-ΔM)(s-1),…s×Ms-ΔM(s-1)，FRF中的其他元素为0，ΔM表示重叠子阵列的数量，0≤ΔM≤Ms；
其中，所述第k个用户终端的组合矩阵
Figure FDA0002388874060000022
和用户终端的等效基带信道Heq的获得过程包括：
基于
Figure FDA0002388874060000023
和所述模拟预编码矩阵
Figure FDA0002388874060000024
对Qi(i)进行奇异值分解，得到
Figure FDA0002388874060000025
并基于启发式的相位求解方法得到
Figure FDA0002388874060000026
其中，
Figure FDA0002388874060000027
利用所述模拟预编码矩阵
Figure FDA0002388874060000028
和
Figure FDA0002388874060000029
确定用户终端的等效基带信道Heq，
Figure FDA00023888740600000210
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
基于所述模拟预编码矩阵FRF，所述基带数字预编码矩阵FBB，所述第k个用户终端的组合矩阵
Figure FDA00023888740600000211
所述第k个用户终端的基带组合器
Figure FDA00023888740600000212
确定所述毫米波大规模MIMO系统的总频谱效率R和所述毫米波大规模MIMO系统的最大频谱效率Rmax；
其中，
Figure FDA00023888740600000213
Ri为干扰和噪声的协方差矩阵，
Figure FDA0002388874060000031
Figure FDA0002388874060000032
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基带数字预编码矩阵
Figure FDA0002388874060000033
的获得过程包括：
构建除第k个用户终端以外包含其他用户终端的等效矩阵
Figure FDA0002388874060000034
所述等效矩阵
Figure FDA0002388874060000035
基于
Figure FDA0002388874060000036
用户终端的等效基带信道
Figure FDA0002388874060000037
和所述等效矩阵
Figure FDA0002388874060000038
在
Figure FDA0002388874060000039
的情况下，对所述等效矩阵
Figure FDA00023888740600000310
进行处理，得到基带数字预编码矩阵
Figure FDA00023888740600000311
4.一种混合预编码处理系统，其特征在于，适用于毫米波大规模MIMO系统的基站设备，所述毫米波大规模MIMO系统包括所述基站设备和终端设备，所述基站设备配置有Nt根天线，NRF个射频RF链，NRF＜Nt，所述终端设备配置有Nr根天线，包括K个用户终端，每个所述用户终端的射频链数为Lr，所传输的数据流为Ns个，所述系统包括：
获取模块，用于获取待传输的KNs个数据流；
基带数字预编码模块，用于基于基带数字预编码矩阵
Figure FDA00023888740600000312
对所述KNs个数据流进行数字预编码处理，得到KNs个数字预编码数据流，其中，
Figure FDA00023888740600000313
为
Figure FDA00023888740600000314
零空间正交基，
Figure FDA00023888740600000315
为除第k个用户终端以外包含其他用户终端的等效矩阵，k＝1,2,…,K；
模拟预编码模块，用于基于模拟预编码矩阵
Figure FDA00023888740600000316
对所述KNs个数字预编码数据流进行模拟预编码，得到传输给每一用户终端的传输信号
Figure FDA00023888740600000317
其中，
Figure FDA00023888740600000318
为所述模拟预编码矩阵FRF的非零权重，
Figure FDA00023888740600000319
j＝1,2,…,NRF，m＝1,2,…,Ms，Ms表示连接到一个RF链的移相器的个数，
Figure FDA00023888740600000320
Figure FDA00023888740600000321
为第k个用户终端的基带组合器，
Figure FDA0002388874060000041
为第k个用户终端的等效基带信道，
Figure FDA0002388874060000042
为第k个用户终端的组合矩阵，
Figure FDA0002388874060000043
为所述K个用户终端的总的信号矢量，
Figure FDA0002388874060000044
是指第k个用户终端的信道矩阵，nk∈Nr×1为满足方差为
Figure FDA0002388874060000045
的加性高斯白噪声的噪声向量；
其中，所述模拟预编码矩阵
Figure FDA0002388874060000046
的获得过程包括：
获取下行链路信道矩阵H的共轭转置矩阵HH；
基于所述共轭转置矩阵HH和
Figure FDA0002388874060000047
得到模拟预编码矩阵
Figure FDA0002388874060000048
其中，H＝[h1 h2…hK]T，FRF(s,t)表示FRF矩阵中第s行、第t列的元素，angle(HH(s,t))表示矩阵HH中第s行、第t列元素的相位，s＝1,…Ms，t＝1+(Ms-ΔM)(s-1),…s×Ms-ΔM(s-1)，FRF中的其他元素为0，ΔM表示重叠子阵列的数量，0≤ΔM≤Ms；
其中，所述第k个用户终端的组合矩阵
Figure FDA0002388874060000049
和用户终端的等效基带信道Heq的获得过程包括：
基于
Figure FDA00023888740600000410
和所述模拟预编码矩阵
Figure FDA00023888740600000411
对Qi(i)进行奇异值分解，得到
Figure FDA00023888740600000412
并基于启发式的相位求解方法得到
Figure FDA00023888740600000413
其中，
Figure FDA00023888740600000414
利用所述模拟预编码矩阵
Figure FDA0002388874060000051
和
Figure FDA0002388874060000052
确定用户终端的等效基带信道Heq，
Figure FDA0002388874060000053
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括：
频谱计算模块，用于基于所述模拟预编码矩阵FRF，所述基带数字预编码矩阵FBB，所述第k个用户终端的组合矩阵
Figure FDA0002388874060000054
所述第k个用户终端的基带组合器
Figure FDA0002388874060000055
确定所述毫米波大规模MIMO系统的总频谱效率R和所述毫米波大规模MIMO系统的最大频谱效率Rmax；
其中，
Figure FDA0002388874060000056
Ri为干扰和噪声的协方差矩阵，
Figure FDA0002388874060000057
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述基带数字预编码模块，包括：
构建单元，用于构建除第k个用户终端以外包含其他用户终端的等效矩阵
Figure FDA0002388874060000058
所述等效矩阵
Figure FDA0002388874060000059
基带数字预编码单元，用于基于
Figure FDA00023888740600000510
用户终端的等效基带信道
Figure FDA00023888740600000511
和所述等效矩阵
Figure FDA00023888740600000512
在
Figure FDA00023888740600000513
的情况下，对所述等效矩阵
Figure FDA00023888740600000514
进行处理，得到基带数字预编码矩阵
Figure FDA00023888740600000515
7.一种基站设备，其特征在于，包括权利要求4-6中任一项所述的混合预编码处理系统。
8.一种毫米波大规模MIMO系统，其特征在于，所述系统包括权利要求7所述的基站设备和终端设备，所述基站设备配置有Nt根天线，NRF个射频RF链，NRF＜Nt，所述终端设备配置有Nr根天线，包括K个用户终端，每个所述用户终端的射频链数为Lr，所传输的数据流为Ns个。
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