CN110048752B - 毫米波大规模mimo中的一种混合预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波大规模MIMO中的一种混合预编码方法。本发明具体为一种在基站端和用户端分别采用混合预编码和模拟合并的方案。在充分考虑信道特性的基础上，根据用户终端的天线阵列响应矢量独立地设计每个用户的模拟合并矩阵，并且以最大化有效信道增益为目标通过共轭转置获得基站处的模拟预编码矩阵。最后根据生成的有效信道矩阵，在基带部分设计低维的数字预编码矩阵，从而消除系统中噪声和用户之间干扰的影响。

Description

毫米波大规模MIMO中的一种混合预编码方法

技术领域

本发明属于信息与通信工程技术领域，涉及无线通信系统中的毫米波大规模MIMO技术，具体是毫米波大规模MIMO中的一种混合预编码方法。

背景技术

随着对系统容量和能量效率要求的提高，现有的传统频段带宽很难满足用户日渐增长的需求，因此拥有更高带宽的毫米波逐渐成为国内外学者研究的重点。然而，毫米波的波长较短，适合在发送端和接收端布置大量天线来补偿毫米波信道的路径损失，从而改善信道传输质量。毫米波和大规模多输入多输出(Multiple Input and Multiple Output，MIMO)技术的结合可以大幅度提升系统的数据率，因此被视为5G的新兴的技术之一。

毫米波信道下的预编码方案与低频下的预编码方案不同，由于毫米波大规模MIMO系统中基站的天线数较多，考虑成本和能耗等因素，在每个天线上安装单独且完整的射频(radio frequency，RF)链变得难以实现。针对这一问题，相对比较好的解决方案就是模拟和数字相结合的混合预编码方案，混合预编码器包含了一个低维的数字预编码器和一个高维的模拟预编码器，它们之间通过少量的RF链路连接，减小了系统的实现成本和能量消耗，同时又能够实现较好的系统性能。现有的混合预编码方案分为三种：部分连接混合预编码方案、全连接混合预编码方案和混合连接混合预编码方案。本发明采用的是全连接混合预编码方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种毫米波大规模MIMO中的一种混合预编码方法。具体为一种在基站端和用户端分别采用混合预编码和模拟合并的方案。在充分考虑信道特性的基础上，根据用户终端的天线阵列响应矢量独立地设计每个用户的模拟合并矩阵，并且以最大化有效信道增益为目标通过共轭转置获得基站处的模拟预编码矩阵。最后根据生成的有效信道矩阵，在基带部分设计低维的数字预编码矩阵，从而消除系统中噪声和用户之间干扰的影响。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：

步骤1.确定系统模型并进行问题描述；

1-1.毫米波大规模MIMO系统信道模型

在毫米波大规模MIMO系统中，K个数据流通过基站发射到K个用户，每个用户终端配置了N_r根天线。基站端配置了N_t根天线和N_RF个RF链路，且满足K＝N_RF。毫米波大规模MIMO系统信道采用几何的Saleh-Valenzuela模型：

其中，N_t为基站发送的天线数，N_r为用户接收的天线数，L为毫米波散射波束，δ_i表示第i条散射波束路径的增益，θ_i∈[0,2π]、

分别表示第i条路径的离开角和到达角，

和α_BS(θ_i)分别表示基站和用户的天线阵列响应矢量,

表示向量α_BS(θ_i)的共轭转置。当天线的阵列分布不同时，该表达式也不同，常见的天线阵列有均匀线性阵列和均匀平面阵列。本文采用均匀线性阵列，

和α_BS(θ_i)可表示为：

其中，λ表示电磁波波长，d表示天线之间的距离。

1-2.毫米波大规模MIMO系统模型

本发明采用全连接毫米波大规模MIMO系统，在毫米波大规模MIMO系统传输过程中，发射到K个用户的数据流经过混合预编码器处理后，基站端的发射信号x可以表示为：

x＝F_RFF_BBs (4)

其中，s∈C^K×1为发送信号,且满足

其中P表示发射总功率；

为模拟预编码矩阵，其形式为F_RF＝[f₁,f₂,…,f_K],其中

且

其中

表示F_RF的第(i,j)个元素的幅度；F_BB∈C^K×K为数字预编码矩阵，其形式为

其中

F_RF与F_BB应满足功率控制，即

因此，第k个用户终端的接受信号可以表示为：

其中，

表示基站与第k个用户终端之间的信道矩阵，n_k～CN(0,σ²I_K)表示均值为0，方差为σ²的信道噪声。

1-3.毫米波大规模MIMO系统目标函数

在接收端，每个用户配置一个RF链路和一个模拟合并器。第k个用户终端的接受信号y_k经过模拟合并器处理后，接收端最终恢复的信号

可以表示为：

其中，

表示第k个用户终端的模拟合并矢量，且

其中w_k(m)表示w_k的第m个元素的幅度。

于是，第k个用户的信干噪比(signal to interference plus noise ratio，SINR)可以表示为：

进一步，系统的和速率可以表示为：

本发明的目标是合理地设计基站端的混合模数预编码器以及用户终端的模拟合并器，使系统的和速率最大化，因此，预编码设计问题等效成如下问题：

步骤2.目标函数的转化以及混合预编码方案的提出

2-1.转化目标函数

式(9)是一个多元化问题，该问题的全局最优解很难直接得到。因此本发明将该混合预编码的设计分为两级，第一级为设计模拟部分，第二级则根据模拟部分对数字部分进行设计，设计模拟部分

首先定义W_RF＝diag[w₁,w₂,…,w_K]以及

则有效模拟信道矩阵可以表示为：

H_eff的第k个对角线元素表示为：

可以注意到H_eff的第k个对角线元素代表第k个用户的有效信道增益，而非对角线的元素代表模拟多流干扰。本发明考虑最大化每个用户的有效信道增益为目标函数，因此公式(9)问题可以转换为：

2-2.低复杂度的混合预编码方案

为了避免基站和用户之间的进一步信息交换，本发明分开设计合并器和预编码器。对于第k个用户，首先忽略来自其它用户的干扰，设计第k个用户的模拟预编码矢量f_k和模拟合并矢量w_k，使它的有效信道增益达到最大。考虑到毫米波信道的波束较窄，具有良好的方向性，并且接收端的天线阵列响应矢量是一组只有相位不同的恒模矢量，因此可以根据用户终端的天线阵列响应矢量来设计模拟合并矢量w_k。对于用户k，首先估计出它所有信道的路径增益，并且找出最大的路径增益所对应的到达角

然后设置模拟合并矢量为

得到w_k之后，本发明定义：

注意到

因此为了最大化有效信道增益H_eff(k,k)，设计f_k为t_k的共轭转置，即

由于f_k有恒模性质，因此f_k表示为：

其中，ω_m是向量t_k中第m个元素的相位。

对于全部用户K，重复步骤步骤2-2，最终得到W_RF和F_RF。

数字部分设计主要思想则是根据有效信道矩阵，采用合适的数字预编码方式消除系统中干扰的影响。可以采用MMSE预编码来平衡两种干扰之间的影响，因此数字预编码可以表示为：

在式(15)中，f_MMSE表示归一化因子，作用是确保模拟预编码和数字预编码满足功率归一化约束条件，即

f_MMSE表示为：

本发明有益效果如下：

相较于全数字预编码方案，本发明中的低复杂度混合预编码方案的性能虽然有一定的损失，但是实现成本与复杂度大大降低了。假设基站天线数量为100根，终端用户数为8，与全数字预编码算法所需100个RF链路数相比，本发明所需要的RF链路数仅为8个，因而大幅度降低了系统的实现成本。另一方面，在数字基带处理部分，与全数字预编码算法需要处理维度为100×100的矩阵相比，本发明算法只需要处理维度为8×8的矩阵，因此，本发明所提的混合预编码方案运算复杂度远低于全数字预编码算法。

附图说明

图1为本发明算法所适用的部分连接毫米波大规模MIMO下行链路系统模型结构。

图2为当N_t＝32，K＝4，N_r＝2时，系统可达和速率与信噪比关系仿真图。

图3为当K＝8，N_r＝4，SNR＝0dB时，系统可达和速率与基站天线数关系仿真图。

图4为N_t＝32，N_r＝2，SNR＝0dB时，系统可达和速率与用户数关系仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和附表对本发明实施例作详细说明

表1为在仿真中所需要的系统参数值

表1

参数	值
		基站发送功率	1w
毫米波散射体数L	6

由图表可知，本发明对所需系统参数和算法初始值进行了设置，将基站发送总功率为1w，每根天线发送功率相等。根据大数定理，设置毫米波散射体数L为6。对于不同仿真参数K,N_t,N_r会进行重新设置。

首先，针对N_t＝32，K＝4，N_r＝2情况下系统可达和速率与信噪比进行对比，仿真结果如图2所示，从图中可以看出，随着信噪比的增加，系统可达和速率呈上升趋势，本发明提出的算法性能略低于全数字预编码算法性能。

图3为K＝8，N_r＝4，SNR＝0dB情况下，不同预编码算法所对应的和速率随基站天线数量的变化曲线。由图3可知，当用户数固定时，随着基站天线数量不断增大，系统和速率显著提高，从而体现了增加系统天线数量给系统性能提升带来的好处。仿真结果表明，本发明所提混合预编码算法的性能非常接近全数字预编码算法性能。

图4为N_t＝32，N_r＝2，SNR＝0dB情况下，系统和速率随用户数变化的仿真实验结果。由图4可知，随着用户数的增加，本发明所提混合预编码算法的系统和速率接近全数字预编码算法。但当用户数增大到大于8后，本发明算法与全数字预编码算法的性能差距逐渐增大，这是由于用户数增大时，用户间干扰增大造成的。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变形都将落在本发明的保护范围。

Claims (1)

1.毫米波大规模MIMO中的一种混合预编码方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1.确定系统模型并进行问题描述；

1-1.毫米波大规模MIMO系统信道模型

在毫米波大规模MIMO系统中，K个数据流通过基站发射到K个用户，每个用户终端配置了N_r根天线；基站端配置了N_t根天线和N_RF个RF链路，且满足K＝N_RF；毫米波大规模MIMO系统信道采用几何的Saleh-Valenzuela模型：

其中，N_t为基站发送的天线数，N_r为用户接收的天线数，L为毫米波散射波束，δ_i表示第i条散射波束路径的增益，θ_i∈[0,2π]、

分别表示第i条路径的离开角和到达角，

和α_BS(θ_i)分别表示基站和用户的天线阵列响应矢量,

表示向量α_BS(θ_i)的共轭转置；采用均匀线性阵列，

和α_BS(θ_i)可表示为：

其中，λ表示电磁波波长，d表示天线之间的距离；

1-2.毫米波大规模MIMO系统模型

在毫米波大规模MIMO系统传输过程中，发射到K个用户的数据流经过混合预编码器处理后，基站端的发射信号x可以表示为：

x＝F_RFF_BBs (4)

其中，s∈C^K×1为发送信号,且满足

其中P表示发射总功率；

为模拟预编码矩阵，其形式为F_RF＝[f₁,f₂,…,f_K],其中

且

其中

表示F_RF的第(i,j)个元素的幅度；F_BB∈C^K×K为数字预编码矩阵，其形式为

其中

F_RF与F_BB应满足功率控制，即

因此，第k个用户终端的接受信号表示为：

其中，

表示基站与第k个用户终端之间的信道矩阵，n_k～CN(0,σ²I_K)表示均值为0，方差为σ²的信道噪声；

1-3.毫米波大规模MIMO系统目标函数

在接收端，每个用户配置一个RF链路和一个模拟合并器；第k个用户终端的接受信号y_k经过模拟合并器处理后，接收端最终恢复的信号

可以表示为：

其中，

表示第k个用户终端的模拟合并矢量，且

其中w_k(m)表示w_k的第m个元素的幅度；

于是，第k个用户的信干噪比表示为：

进一步，系统的和速率表示为：

预编码设计问题等效成如下问题：

步骤2.目标函数的转化以及混合预编码方案的提出

2-1.转化目标函数

将混合预编码的设计分为两级，第一级为设计模拟部分，第二级则根据模拟部分对数字部分进行设计，设计模拟部分

首先定义W_RF＝diag[w₁,w₂,…,w_K]以及

则有效模拟信道矩阵可以表示为：

H_eff的第k个对角线元素表示为：

其中，H_eff的第k个对角线元素代表第k个用户的有效信道增益，而非对角线的元素代表模拟多流干扰；考虑最大化每个用户的有效信道增益为目标函数，因此公式(9)问题转换为：

2-2.低复杂度的混合预编码方案

设计合并器和预编码器；对于第k个用户，首先忽略来自其它用户的干扰，设计第k个用户的模拟预编码矢量f_k和模拟合并矢量w_k，根据用户终端的天线阵列响应矢量来设计模拟合并矢量w_k；对于用户k，首先估计出它所有信道的路径增益，并且找出最大的路径增益所对应的到达角

然后设置模拟合并矢量为

得到w_k之后定义如下：

注意到

因此为了最大化有效信道增益H_eff(k,k)，设计f_k为t_k的共轭转置，即

由于f_k有恒模性质，因此f_k表示为：

其中，ω_m是向量t_k中第m个元素的相位；

对于全部用户K，重复步骤步骤2-2，最终得到W_RF和F_RF；

数字部分设计根据有效信道矩阵，因此数字预编码表示为：

在式(15)中，f_MMSE表示归一化因子，作用是确保模拟预编码和数字预编码满足功率归一化约束条件，即

f_MMSE表示为：

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