CN111342874A - 用于下行大规模宽带毫米波多用户系统的预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于下行大规模宽带毫米波多用户系统的预编码方法，是一种基于混合块对角化的5M混合块对角化预编码技术，包括基站和各个移动站的模拟域预编码器设计和数字域预编码器设计。采用本发明提供的技术方案，可以实现大规模宽带毫米波多用户系统的下行用户间无干扰传输，有效提升系统的容量，通用性更强。

Description

用于下行大规模宽带毫米波多用户系统的预编码方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种适用于下行大规模多输入多输出毫米波多用户系统的预编码技术。通过该技术可以实现大规模宽带毫米波多用户系统的下行用户间无干扰传输，有效提升系统的容量。

背景技术

随着无线通信体制的演进，未来对高速无线数据传输的需求也在进一步提升。在若干新兴的物理层通信技术中，毫米波通信因其极为丰富的频带资源，以及对大规模多输入多输出天线阵列的良好兼容性，可以支持Gb/s量级的数据传输，被公认为第五代无线通信的核心物理层技术。为进一步将毫米波通信应用于移动蜂窝网络，最核心也是最基础的挑战之一便是如何对下行多用户系统进行预编码，以保证各个用户的通信质量，并有效提升系统容量。

考虑到毫米波系统特殊的模拟数字混合预编码器结构，近年来一种被称为混合块对角化的多用户预编码技术因其较低的复杂度和较好的性能得到了广泛的关注。具体而言，混合块对角化技术首先通过模拟域预编码将高维信道映射为低维信道。基于该低维信道，通过一次数字域预编码消除用户间干扰。基于各个用户的无干扰信道，设计二次数字域预编码以提高系统容量。总体而言，该技术可以有效适用于毫米波的混合结构，降低移动端的解码复杂度，保证系统设计的灵活性。

虽然当前已有一系列基于混合块对角化的毫米波多用户预编码方案，但是在实际应用，这些方案仍然面临着诸多问题。首先，大多数方案仅仅考虑了窄带的毫米波信道，而实际的毫米波信道往往是宽带衰落信道，呈现着明显的频率选择性。其次，很多方案由于其启发式的特点，其应用范围存在的极大的局限性，使得编码方案不具备良好的普适性。因此，现有的基于混合块对角化毫米波多用户预编码方案难以应用于高复杂信道环境和低精度移相网络。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于混合块对角化、通用性更强的下行大规模多输入多宽带毫米波多用户系统预编码方案，命名为5M混合块对角化预编码技术，具体实施包括模拟域预编码器设计和数字域预编码器设计两部分。本发明可以应用于高复杂信道环境和低精度移相网络。

为方便起见，定义以下参数及相应的含义：

PA指模拟域的预编码矩阵；其中的A是下标，是analog(模拟)的首字母；

PD指数字域的预编码矩阵；其中的D是下标，是digital(数字)的首字母；

粗体字母A表示矩阵，相似矩阵通过上下标进行区分。

本发明提供的技术方案是：

一种应用于下行大规模宽带毫米波多用户系统的预编码方案，系统发端为基站，收端包括K个移动站，基站和各移动站均采用全连接的模数混合结构，且移相器的精度为b比特。基站配有N_t维天线和M_b套射频链；每个移动站配有N_r维天线和M_u套射频链，并满足KM_u≤M_b≤N_t以及M_u≤N_t。基站与各个移动站间的信道模型为宽带几何模型，通过正交频分复用的方式进行通信，子载波数目为N。

记P_A为基站端(发端)模拟域预编码矩阵，P_D,n为基站端在子载波n(1≤n≤N)处的数字域预编码矩阵，W_A,k(1≤k≤K)为移动站k处的模拟域预编码矩阵，W_D,k,n为移动站k在子载波n(1≤n≤N)处的数字域预编码矩阵。定义矩阵A^H为矩阵A的共轭转置，移动站k在子载波n处的接收信号y_k,n可表示为式1：

其中，x_n是基站在子载波n处的发送符号向量，ξ_k,n是移动站k在子载波n处的等效高斯噪声且噪声功率为σ²，H_k,n是基站与移动站k在子载波n处的频域信道。定义

为矩阵A₁到A_m构成的块对角矩阵。依据式1，可进一步得到系统在子载波n处的输入输出关系，表示为式2：

其中，

代表系统在子载波n处的等效频域信道；

所述预编码方案步骤如下：

1)定义

为系统的等效频域信道，计算系统下行传输的容量下界表达式I_L，表示为式3：

2)定义

为移相器的可移相位集合。依据式3，将模拟域预编码矩阵的设计转为优化系统下行传输的容量下界I_L的问题，表示为式4-1和式4-2：

其中，min代表最小化，s.t.代表服从于。

3)执行如下操作得到模拟域预编码矩阵P_A和

31)设定迭代次数初始值为0，最大迭代次数为T；

32)限定模拟域预编码矩阵各列为傅里叶基向量，搜索得到该限制下的最优预编码矩阵，并对该预编码矩阵各元素的相位进行b比特量化，得到迭代的初始模拟域预编码矩阵；

33)首先固定当前移动端的模拟域预编码矩阵，从F中选择最优的元素逐次更新P_A的各个元素使得式4-1最小，直至P_A整体更新完毕；接下来固定当前的基站端模拟域预编码矩阵，从F中选择最优的元素逐次更新W_A,k的各个元素使得式4-1最小，直至所有的W_A,k整体更新完毕，迭代次数加1。

34)若迭代次数未超过T，重复执行33)的步骤，直到迭代次数为T，至此完成了模拟域预编码矩阵的设计。

4)以移动站k在子载波n处为例，执行如下操作得到数字域预编码矩阵：

41)定义

42)对

进行奇异值分解得到右旋酉矩阵V_k,n，零干扰空间矩阵

和信号空间矩阵

可表示为式5和式6

其中

为M_b维单位矩阵。

43)对子空间投影矩阵

进行奇异值分解得到右旋酉矩阵

该矩阵为基站端在子载波n处第一阶段数字域预编码矩阵。

44)定义

对

进行奇异值分解，得到左旋酉矩阵

和右旋酉矩阵

移动站k在子载波n处的数字域预编码矩阵W_D,k,n最终设置为式7：

基站在子载波n处的数字域预编码矩阵最终设置为式8：

其中，||A||_F代表矩阵A的F范数；P_D,n为基站在子载波n处的数字域预编码矩阵。

通过上述步骤得到了基站和移动端在模拟域和数字域的预编码矩阵，完成了针对下行大规模宽带毫米波多用户系统的预编码设计。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种针对下行大规模多输入多输出毫米波多用户系统的预编码方案，包括基站的模拟域和数字域预编码矩阵，各个移动站的模拟域和数字域预编码矩阵。通过该预编码方案，可以实现下行传输中各个移动站的无干扰接收，有效提高系统的容量。与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

1)本方案适用于频率选择性信道下的多数据传输，且不依赖于信道的稀疏度。

2)本方案不依赖于移相器的精度，系统可配置低精度移相器降低功耗和硬件成本。

3)本方案支持基站射频链数目多于所有移动端射频链总数目，从而提高分集增益。

附图说明

图1是本发明提供的下行大规模宽带毫米波多用户系统预编码方法的流程框图。

图2是本发明实施例采用的包括两个移动站，4个子载波的下行大规模宽带毫米波多用户系统结构原理图。

图3是本发明实施例中预编码方案在不同信道稀疏度下的系统容量对比曲线。

图4是本发明实施例中预编码方案在不同移动站数目下的系统容量对比曲线。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但不以任何方式限制本发明的范围。

图2所示下行大规模宽带毫米波多用户系统是本发明的应用场景示意图，系统包括两个移动站，4个子载波。在如图2所示的下行链路中，系统发端为基站，收端包括K个(本实施例采用2个)移动站，基站和各移动站均采用全连接的模数混合结构，且模拟结构处使用的移相器的精度为b比特(本实施例取值为2)。基站配有N_t维天线和M_b套射频链；每个移动站配有N_r维天线和M_u套射频链，并满足KM_u≤M_b≤N_t以及M_u≤N_t。具体实施时，Nt取值为32，Mb取值为8，N_r取值为16，Mu取值为2。基站与各个移动站间的信道建模为宽带几何模型，通过正交频分复用的方式进行通信，子载波数目为N(实施例N取值为4)。记P_A为基站端模拟域预编码矩阵(其中A是下标，是analog(模拟)的首字母)，P_D,n为基站端在子载波n(1≤n≤N)处的数字域预编码矩阵(D是下标，是digital(数字)的首字母)，W_A,k(1≤k≤K)为移动站k处的模拟域预编码矩阵，W_D,k,n为移动站k在子载波n(1≤n≤N)处的数字域预编码矩阵。定义A^H为A的共轭转置，移动站k在子载波n处的接收信号y_k,n可表示为式1：

其中，x_n是基站在子载波n处的发送符号向量，ξ_k,n是移动站k在子载波n处的等效高斯噪声且噪声功率为σ²，H_k,n是基站与移动站k在子载波n处的频域信道。定义

为矩阵A₁到A_m构成的块对角矩阵。依据式1，可进一步得到系统在子载波n处的输入输出关系表示为式2：

其中，

代表系统在子载波n处的等效频域信道；

所述预编码方案步骤如下：

1)定义

为系统的等效频域信道，计算系统下行传输的容量下界表达式I_L，表示为式3：

2)定义

为移相器的可移相位集合。依据式3，将模拟域预编码矩阵的设计转为优化下界I_L的问题，表示为式4-1和式4-2：

其中min代表最小化，s.t.代表服从于。

3)执行如下操作得到模拟域预编码矩阵P_A和

31)设定迭代次数初始值为0，最大迭代次数为T；

T取值没有限制，具体实施时可取值为5。

32)限定模拟域预编码矩阵各列为傅里叶基向量，搜索得到该限制下的最优预编码矩阵，并对该预编码矩阵各元素的相位进行b比特量化，得到迭代的初始模拟域预编码矩阵

33)首先固定当前移动端的模拟域预编码矩阵，从移相器的可移相位集合F中选择最优的元素逐次更新P_A的各个元素使得式4-1最小，直至P_A整体更新完毕；接下来固定当前的基站端模拟域预编码矩阵，从F中选择最优的元素逐次更新W_A,k的各个元素使得式4-1最小，直至所有的W_A,k整体更新完毕，迭代次数加1。

34)若迭代次数未超过T，重复执行33)的步骤，直到迭代次数为T，至此完成了模拟域预编码矩阵的设计。

4)以移动站k在子载波n处为例，执行如下操作得到数字域预编码矩阵

41)定义

42)零干扰空间矩阵

和信号空间矩阵

可表示为式5和式6：

其中

为M_b维单位矩阵。

43)对

进行奇异值分解得到关于

的右旋酉矩阵，记为

44)定义

对

进行奇异值分解，得到关于

的左旋酉矩阵和右旋酉矩阵，分别记为左旋酉矩阵

和右旋酉矩阵

移动站k在子载波n处的数字域预编码矩阵依据式7设置为

基站在子载波n处的数字域预编码矩阵P_D,n依据式8设置：

其中||A||_F代表矩阵A的F范数。||||_F代表矩阵的F范数。

参照图3，示出了在信道波束数目为6，12和100时，不同预编码方案下系统容量随着信噪比的变化曲线。从图中可以看出，本方案提出的预编码方案在仅使用2比特的移相器的情况下，就能在全信噪比范围内获得比现有方案更大的系统容量，且该优势在不同稀疏度下均可以保证。

参照图4，示出了在固定信噪比为-8dB时，系统容量随着移动站数目的对比曲线。由图可见，随着移动站数目的增加，各个移动站的无干扰信道的功率逐步下降，因此系统容量先增加后下降。但本方案可以更好的利用基站端富余的射频链实现更大的分集增益，因此在服务相同数目的移动站时，可以得到更大的系统容量。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种应用于下行大规模宽带毫米波多用户系统的预编码方法，系统发端为基站，收端包括K个移动站；基站和各移动站均采用全连接的模数混合结构，且移相器精度为b比特；基站配有N_t维天线和M_b套射频链；每个移动站配有N_r维天线和M_u套射频链，KM_u≤M_b≤N_t，M_u≤N_t；基站与各移动站之间的信道模型为宽带几何模型，通过正交频分复用的方式进行通信，子载波数目为N；

记P_A为基站端的模拟域预编码矩阵；P_D,n为基站端在子载波n处的数字域预编码矩阵，1≤n≤N；W_A,k为移动站k处的模拟域预编码矩阵，1≤k≤K；W_D,k,n为移动站k在子载波n处的数字域预编码矩阵；定义矩阵A^H为矩阵A的共轭转置，移动站k在子载波n处的接收信号y_k,n表示为式1：

其中，x_n是基站在子载波n处的发送符号向量，ξ_k,n是移动站k在子载波n处的等效高斯噪声且噪声功率为σ²，H_k,n是基站与移动站k在子载波n处的频域信道；

定义

为矩阵A₁到A_m构成的块对角矩阵；依据式1进一步得到系统在子载波n处的输入输出关系，表示为式2：

其中，

代表系统在子载波n处的等效频域信道；

所述预编码方法包括如下步骤：

1)定义

为系统的等效频域信道，通过式3计算得到系统下行传输的容量下界表达式I_L：

2)定义

为移相器的可移相位集合；依据式3将模拟域预编码矩阵转为优化系统下行传输的容量下界，表示为式4-1和式4-2：

其中，min代表最小化，s.t.代表服从于；

3)执行如下操作得到模拟域预编码矩阵P_A和

31)设定迭代次数初始值为0，最大迭代次数为T；

32)限定模拟域预编码矩阵各列为傅里叶基向量，搜索得到该限制下的最优预编码矩阵，并对该预编码矩阵各元素的相位进行b比特量化，得到迭代的初始模拟域预编码矩阵；

33)固定当前移动端的模拟域预编码矩阵，从F中选择最优的元素逐次更新P_A的各个元素，使得式4-1最小，直至P_A整体更新完毕；接下来固定当前的基站端模拟域预编码矩阵，从F中选择最优的元素逐次更新W_A,k的各个元素使得式4-1最小，直至所有的W_A,k更新完毕，迭代次数加1；

34)若迭代次数未超过T，重复执行步骤33，直到迭代次数为T，至此得到模拟域预编码矩阵；

4)得到各移动站在子载波处的数字域预编码矩阵：

具体执行如下操作得到移动站k在子载波n处的数字域预编码矩阵：

41)定义

42)对

进行奇异值分解得到右旋酉矩阵V_k,n；零干扰空间矩阵

和信号空间矩阵

表示为式5和式6：

其中，

为M_b维单位矩阵；

43)对子空间投影矩阵

进行奇异值分解得到右旋酉矩阵

该矩阵为基站端在子载波n处第一阶段数字域预编码矩阵；

44)定义

对

进行奇异值分解，得到左旋酉矩阵

和右旋酉矩阵

移动站k在子载波n处的数字域预编码矩阵W_D,k,n设置为式7：

基站在子载波n处的数字域预编码矩阵P_D,n设置为式8：

其中，||||_F代表矩阵的F范数；

通过上述步骤得到基站和移动端在模拟域和数字域的预编码矩阵，即实现针对下行大规模宽带毫米波多用户系统的预编码。

2.如权利要求1所述应用于下行大规模宽带毫米波多用户系统的预编码方法，其特征是，所述下行大规模宽带毫米波多用户系统包括两个移动站，4个子载波。

3.如权利要求2所述应用于下行大规模宽带毫米波多用户系统的预编码方法，其特征是，系统下行链路中，系统发端为基站，收端包括2个移动站；基站和各移动站采用全连接的模数混合结构中，模拟结构处使用的移相器的精度为2比特。

4.如权利要求3所述应用于下行大规模宽带毫米波多用户系统的预编码方法，其特征是，基站配有32维天线和8套射频链；每个移动站配有16维天线和2套射频链。

5.如权利要求4所述应用于下行大规模宽带毫米波多用户系统的预编码方法，其特征是，子载波数目为4。

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