CN111800176A - 等效信道矩阵生成方法、预编码方法、装置、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种等效信道矩阵生成方法、预编码方法、装置、设备及介质，应用于天线阵列中，所述天线阵列包括多个天线面板，其中，所述等效信道矩阵生成方法包括：基于用户发送的导频序列，获得信道响应矩阵；根据树形拓扑关系，从预设码本中获取模拟波束成形矩阵，所述树形拓扑关系基于所述天线面板的数量生成；根据所述信道响应矩阵和所述模拟波束成形矩阵，生成等效信道矩阵。本发明通过树形拓扑关系来间接对等效信道矩阵的条件数进行优化，无需获取奇异值，对等效信道矩阵的优化更加简便。

Description

等效信道矩阵生成方法、预编码方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种等效信道矩阵生成方法、预编码方法、装置、设备及介质。

背景技术

大规模的多面板MIMO(Multi Input Multi Output，多输入多输出)天线阵列通常具有两级层级，如图1所示，1为多个子天线集成的天线面板，该天线面板用以实现模拟波束成形；2是由多个天线面板组成的天线面板阵列，天线面板阵列提供了复用增益。与传统的全数字MIMO系统相比，多面板MIMO天线阵列可以被视为由可配置天线组成的全数字MIMO系统，每个天线面板即为一个可配置天线，通过改变相移值，可调整天线面板的辐射方式。基于多面板MIMO天线阵列的混合预编码矩阵F的形式为：

F＝MW

其中，M为模拟预编码矩阵，W为数字预编码矩阵。数字预编码矩阵W由数字信号处理模块实时生成。对于数字预编码矩阵W而言，其等效信道矩阵为H_eq＝HM，等效信道矩阵的质量决定了多面板MIMO天线阵列的性能。等效信道矩阵的条件数，即矩阵最大奇异值与最小奇异值的比例

是衡量信道质量的一个重要指标，等效信道矩阵的条件数越小，意味最优信道与最差信道的差异越小，等效信道矩阵较好。由于奇异值的解析通常难以获得，导致对条件数的直接优化比较困难。

发明内容

本发明实施例提供一种等效信道矩阵生成方法、预编码方法、装置、设备及介质，以优化等效信道矩阵的条件数。

一种等效信道矩阵生成方法，应用于天线阵列中，所述天线阵列包括多个天线面板，包括：

获取导频序列，根据所述导频序列获得信道响应矩阵；

根据树形拓扑关系，从预设码本中获取模拟波束成形矩阵，所述树形拓扑关系基于所述天线面板的数量生成；

根据所述信道响应矩阵和所述模拟波束成形矩阵，生成等效信道矩阵。

优选地，所述天线面板包括多个子天线；

所述树形拓扑关系包括根节点和多级子级，所述子级的数量为所述天线面板的数量，每一所述子级包括多个子节点，每一所述子级的子节点对应|M|个下一级子级的子节点，所述根节点的节点值为预设值，所述M为预设码本，且所述M＝{m₁,m₂...m_i}，所述m_i表示预设码本的第i个码字，所述|M|为预设码本的势，每一所述子节点的节点值通过以下计算式计算得到：

其中，

所述n表示第n个天线面板，所述U为酉矩阵，所述R为上三角矩阵，所述Na为所述天线面板中子天线的数量，所述N_P表示天线面板的数量。

优选地，所述根据树形拓扑关系，从预设码本中获取模拟波束成形矩阵，包括：

根据所述树形拓扑关系的节点值，计算最小目标函数值，所述最小目标函数值采用以下计算式计算得到：

其中，所述n表示第n个天线面板；所述N_P表示天线面板的数量；

获取所述最小目标函数值对应的多个码字，根据多个所述码字构成所述模拟波束成形矩阵。

优选地，所述根据所述树形拓扑关系的节点值，计算最小目标函数值，包括：

遍历所述树形拓扑关系的最后一级子级的节点，并计算当前遍历的节点的节点值至所述根节点的节点值目标函数值，且所述目标函数值通过以下计算式计算得到：

在计算出第L个节点对应的目标函数值后，比较前L-1次遍历得到的目标函数值的大小，并将最大的目标函数值更新为第L个节点的目标函数值，其中所述L为第二预设值；

在计算出最后一个节点的对应的所述目标函数值后，比较所有所述目标函数值的大小，取最小的目标函数值作为所述最小目标函数值。

一种预编码方法，应用于天线阵列中，所述方法包括：

获取等效信道矩阵与模拟波束成形矩阵，所述等效信道矩阵与模拟波束成形矩阵采用上述等效信道矩阵生成方法生成；

根据所述等效信道矩阵生成数字预编码矩阵；

根据所述模拟波束成形矩阵和所述数字预编码矩阵，生成混合预编码矩阵。

一种等效信道矩阵生成装置，应用于天线阵列中，所述天线阵列包括多个天线面板，所述装置包括：

第一获取单元，用于获取导频序列，根据所述导频序列获得信道响应矩阵；

第二获取单元，用于根据树形拓扑关系，从预设码本中获取模拟波束成形矩阵，所述树形拓扑关系基于所述天线面板的数量生成；

第一矩阵生成单元，用于根据所述信道响应矩阵和所述模拟波束成形矩阵，生成等效信道矩阵。

一种预编码装置，所述装置包括：

第三获取单元，用于获取等效信道矩阵与模拟波束成形矩阵，所述等效信道矩阵和所述模拟波束成形矩阵采用上述等效信道矩阵生成装置生成；

第二矩阵生成单元，用于根据所述等效信道矩阵生成数字预编码矩阵；

第三矩阵生成单元，用于根据所述模拟波束成形矩阵和所述数字预编码矩阵，生成混合预编码矩阵。

一种设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储存储有等效信道矩阵生成程序，或者预编码程序，所述处理器用于执行上述等效信道矩阵生成方法，或者，所述处理器用于上述预编码方法。

一种介质，所述介质为计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述等效信道矩阵生成方法，或者，实现上述预编码方法。

上述等效信道矩阵生成方法、装置、设备及介质通过获取信道响应矩阵，并根据信道响应矩阵和树形拓扑关系获取模拟波束成形矩阵，进而根据信道响应矩阵和模拟波束成形矩阵，生成等效信道矩阵，通过树形拓扑关系来间接对等效信道矩阵的条件数进行优化，无需获取奇异值，对等效信道矩阵的优化更加简便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是天线阵列的示意图；

图2是本发明一实施例中等效信道矩阵生成方法的示意图；

图3是树形拓扑关系图；

图4是本发明另一实施例中等效信道矩阵生成方法的示意图；

图5是本发明另一实施例中等效信道矩阵生成方法的示意图；

图6是本发明一实施例中预编码方法的示意图；

图7是本发明一实施例中等效信道矩阵生成装置的框图；

图8是本发明一实施例中预编码装置的框图；

图9是本发明设备的示意图。

具体实施方式

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作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。

本发明提出一种等效信道矩阵生成，用以对等效信道矩阵的生成过程进行优化，该方法可应用在如图1所示的天线阵列中。如图2所示，该方法包括以下步骤：

S110：获取导频序列，根据导频序列获得信道响应矩阵。

其中，导频序列亦可称为导频信号，是指用户在电信网络内为测量或监控的目的而发送的信号。具体地，可在信道训练阶段，通过用户向基站发送的导频序列估计出信道响应矩阵。根据TDD上下行信道的互易性，所估计出的信道响应矩阵，可被用于下行预编码设计。

S120：根据树形拓扑关系，从预设码本中获取模拟波束成形矩阵，树形拓扑关系基于天线面板的数量生成。

在本实施例中，多个天线面板共用同一个预设码本，且该预设码本可以是DFT码本、格拉斯曼码本等，这里不一一列举。

S30：根据信道响应矩阵和模拟波束成形矩阵，生成等效信道矩阵。

可对信道响应矩阵和模拟波束成形矩阵进行矩阵相乘，得到等效信道矩阵。具体地，等效信道矩阵H_eq＝HM，其中，H为信道响应矩阵，M为模拟波束成形矩阵。

上述等效信道矩阵生成方法通过获取信道响应矩阵，并根据信道响应矩阵和树形拓扑关系获取模拟波束成形矩阵，进而根据信道响应矩阵和模拟波束成形矩阵，生成等效信道矩阵，通过树形拓扑关系来间接对等效信道矩阵的条件数进行优化，无需获取奇异值，对等效信道矩阵的优化更加简便。

对等效信道矩阵条件数的进行优化时，需要对所有天线面板的波束成型向量进行联合优化，联合优化的复杂度与天线面板的数量呈指数关系。当天线面板数大的时候，联合优化的计算量可能远超现有硬件计算能力。由于本发明已经无需获取奇异值来对等效信道矩阵进行优化了，因此，联合优化的问题也需要通过上述树形拓扑关系来解决：

具体地，树形拓扑关系包括根节点和多级子级，子级的数量为天线面板的数量，每一子级包括多个子节点，每一子级的子节点对应|M|个下一级子级的子节点，根节点的节点值为预设值，M为预设码本，且M＝{m₁,m₂...m_i}，m_i表示预设码本的第i个码字，|M|为预设码本的势，每一子节点的节点值通过以下计算式计算得到：

其中，

n表示第n个天线面板，U为酉矩阵，R为上三角矩阵，Na为天线面板中子天线的数量，N_P表示天线面板的数量。

示例性的，以天线面板的数量为4为例，上述树形拓扑关系可以如图3所示。其中，P₀为根节点，P₀预设值，例如0。每一子级的子节点对应|M|个下一级子级的子节点，多级子节点相互对应，形成了多条路径，且路径数为

上述树形拓扑关系的构建原理为：

模拟波束成型矩阵的生成准则是通过优化等效信道矩阵H_eq,n的条件数，提高等效信道矩阵的质量，具体可采用对如下目标函数的优化：

其中，

是等效信道矩阵H_eq,n的奇异值。当最小的奇异值

很小时，目标函数f(H_eq)的数值很大程度由

决定。因此，最小化f(H_eq)会增加

的数值，从而达到增加矩阵条件数，提升等效信道矩阵质量的效果。随着天线面板数量的增加，f(H_eq)随天线面板的数量增加而指数增加。通过实验分析，发现，对等效信道矩阵H_eq,n进行QR分解可得H_eq＝UR。将QR分解的结果带入目标函数f(H_eq)中，可得f(H_eq)＝T_r((R^-1)^HR^-1)，其中，QR分解可以通过施密特正交化实现。因此可以通过递归的方式，对每个天线面板模拟波束成形分步优化。其中，第n步(对应第n个天线面板)的中间等效矩阵H_eq,n及其对应的QR分解酉矩阵U_n、上三角矩阵R_n表示为：

H_eq,n＝[H_eq,n-1h_eq,n]

由于M＝{m₁,m₂…m_i}，等效信道向量h_eq,n具有|M|个选择。根据

的表达式，选择h_eq,n的代价函数，即目标函数f(H_eq)＝T_r((R^-1)^HR^-1)在第n步的增量为：

得到ΔP_n-1,n后，构建树形拓扑关系，并根据树形拓扑关系，从预设码本中获取模拟波束成形矩阵。

具体地，如图4所示，步骤S120：根据树形拓扑关系，从预设码本中获取模拟波束成形矩阵，包括以下步骤：

S121：根据树形拓扑关系的子节点的节点值，计算最小目标函数值，最小目标函数值采用以下计算式计算得到：

其中，n表示第n个天线面板；N_P为天线面板的数量。

借助树形拓扑关系，模拟波束成形可解释为从根节点到子节点的最小路径，也即对根节点到最后一级子级上的目标函数值最小。

S122：获取最小目标函数值对应的多个码字，多个码字构成模拟波束成形矩阵。

具体地，获取最小目标函数值对应的路径上的每一子节点所对应的码字。可以理解地由于子节点的节点值是根据码字计算出来的，相应地，也可以根据最小目标函数值反推获得每一个子节点的对应的码字。模拟波束成形矩阵中包含多个模拟波束成形向量，而一个码字就是一个模拟波束成形向量，因而，多个码字构成模拟波束成形矩阵。

由于树形拓扑关系的路径数为

也即有

个目标函数值，如果采用穷举法从

中路径选取中最小路径，在天线面板数量较多的情况下，计算量和复杂度将非常大，为此，本发明提出了另一实施例以解决该问题，也即：如图5所示，S121：根据树形拓扑关系的节点值，计算最小目标函数值，包括以下步骤：

S1211：遍历树形拓扑关系的最后一级子级的节点，并计算当前遍历的节点至根节点的目标函数值，且目标函数值通过以下计算式计算得到：

S1212：在计算出第L个节点的目标函数值后，比较前L-1次遍历得到的目标函数值的大小，并将最大的目标函数值更新为第L个节点的目标函数值，其中L为第二预设值；

S1213：在计算出最后一个节点的目标函数值后，比较所有目标函数值的大小，取最小的目标函数值作为最小目标函数值。

本实施例的核心思想是：在遍历树形拓扑关系时，设置一个控制变量--残余路径L，以保证遍历过程中始终保留不大于L条路径作为残存路径，也即，在计算出第L个节点的目标函数值后，比较前L-1次遍历得到的目标函数值的大小，并将最大的目标函数值更新为第L个节点的目标函数值，其中所述L为预设值。虽然遍历过程中的当前最小目标函数值不一定会是全局最小目标函数值，最小目标函数值发生在前L个最小目标函数值的概率较大。因此，通过控制残余路径值L，基站不仅可以自由地控制算法复杂度，也在很大程度上保证了算法的性能。

上述实施例把对Np个天线面板联合优化的问题化简为一个基于树拓扑结构的递归算法，通过控制对树形拓扑关系上的节点的比较次数L了降低联合优化的复杂度，提高了联合优化的速率。

本发明还提出了一种预编码方法，该方法可应用在天线阵列中，并为天线进行混合预编码，如图6所示，该方法可以包括以下步骤：

S210：获取等效信道矩阵与模拟波束成形矩阵，等效信道矩阵和模拟波束成形矩阵可采用上述等效信道矩阵生成方法生成。

等效信道矩阵和模拟波束成形矩阵的详细说明见等效信道矩阵生成方法的说明，这里不再赘述。

S220：根据等效信道矩阵生成数字预编码矩阵。

示例性地，可采用迫零法或最小均方误差法等方法生成数字预编码矩阵，这里不一一列举。

S230：根据模拟波束成形矩阵和数字预编码矩阵，生成混合预编码矩阵。

可通过对模拟波束成形矩阵和数字预编码矩阵进行矩阵相乘的方法获得混合预编码矩阵，具体地，混合预编码矩阵F＝MW，其中，W为数字预编码矩阵。

本发明还提出一种等效信道矩阵生成装置，应用于天线阵列中，所述天线阵列包括多个天线面板，如图7所示，所述装置包括：

第一获取单元10，用于获取导频序列，根据导频序列获得信道响应矩阵；详细内容可以参见上述任意方法实施例的步骤S110的相关描述，在此不再赘述。

第二获取单元20，用于根据树形拓扑关系，从预设码本中获取模拟波束成形矩阵，所述树形拓扑关系基于所述天线面板的数量生成；

详细内容可以参见上述任意方法实施例的步骤S120的相关描述，在此不再赘述。

第一矩阵生成单元30，用于根据所述信道响应矩阵和所述模拟波束成形矩阵，生成等效信道矩阵。

详细内容可以参见上述任意方法实施例的步骤S130的相关描述，在此不再赘述。

本发明还提出一种预编码装置，如图8所示，所述装置包括：

第三获取单元40，用于获取等效信道矩阵与模拟波束成形矩阵，等效信道矩阵和模拟波束成形矩阵采用上述等效信道矩阵生成装置生成；

详细内容可以参见上述任意方法实施例的步骤S210的相关描述，在此不再赘述。

第二矩阵生成单元50，用于根据等效信道矩阵生成数字预编码矩阵；

详细内容可以参见上述任意方法实施例的步骤S220的相关描述，在此不再赘述。

第三矩阵生成单元60，用于根据模拟波束成形矩阵和数字预编码矩阵，生成混合预编码矩阵。

详细内容可以参见上述任意方法实施例的步骤S230的相关描述，在此不再赘述。

本发明还提出一种设备，如图9所示，该设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有天线阵列的混合预编码矩阵生成方法的程序，所述处理器用于执行上述等效信道矩阵生成方法，或者，执行上述预编码方法。

一种介质，所述介质为计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述等效信道矩阵生成方法，或者实现上述预编码方法。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种等效信道矩阵生成方法，应用于天线阵列中，所述天线阵列包括多个天线面板，其特征在于，包括：

获取导频序列，根据所述导频序列获得信道响应矩阵；

根据树形拓扑关系，从预设码本中获取模拟波束成形矩阵，所述树形拓扑关系基于所述天线面板的数量生成；

根据所述信道响应矩阵和所述模拟波束成形矩阵，生成等效信道矩阵。

2.如权利要求1所述的等效信道矩阵生成方法，其特征在于，所述天线面板包括多个子天线；

所述树形拓扑关系包括根节点和多级子级，所述子级的数量为所述天线面板的数量，每一所述子级包括多个子节点，每一所述子级的子节点对应|M|个下一级子级的子节点，所述根节点的节点值为预设值，所述M为预设码本，且所述M＝{m₁,m₂...m_i}，所述m_i表示预设码本的第i个码字，所述|M|为预设码本的势，每一所述子节点的节点值通过以下计算式计算得到：

其中，

所述n表示第n个天线面板，所述U为酉矩阵，所述R为上三角矩阵，所述Na为所述天线面板中子天线的数量，所述N_P表示天线面板的数量。

3.如权利要求2所述的等效信道矩阵生成方法，其特征在于，所述根据树形拓扑关系，从预设码本中获取模拟波束成形矩阵，包括：

根据所述树形拓扑关系的节点值，计算最小目标函数值，所述最小目标函数值采用以下计算式计算得到：

其中，所述n表示第n个天线面板；所述N_P表示天线面板的数量；

获取所述最小目标函数值对应的多个码字，根据多个所述码字构成所述模拟波束成形矩阵。

4.如权利要求3所述的等效信道矩阵生成方法，其特征在于，所述根据所述树形拓扑关系的节点值，计算最小目标函数值，包括：

遍历所述树形拓扑关系的最后一级子级的节点，并计算当前遍历的节点的节点值至所述根节点的节点值目标函数值，且所述目标函数值通过以下计算式计算得到：

在计算出第L个节点对应的目标函数值后，比较前L-1次遍历得到的目标函数值的大小，并将最大的目标函数值更新为第L个节点的目标函数值，其中所述L为第二预设值；

在计算出最后一个节点的对应的所述目标函数值后，比较所有所述目标函数值的大小，取最小的目标函数值作为所述最小目标函数值。

5.一种预编码方法，应用于天线阵列中，其特征在于，所述方法包括：

获取等效信道矩阵与模拟波束成形矩阵，所述等效信道矩阵与模拟波束成形矩阵采用如权利要求1-4任意一项所述的等效信道矩阵生成方法生成；

根据所述等效信道矩阵生成数字预编码矩阵；

根据所述模拟波束成形矩阵和所述数字预编码矩阵，生成混合预编码矩阵。

6.一种等效信道矩阵生成装置，应用于天线阵列中，所述天线阵列包括多个天线面板，其特征在于，所述装置包括：

第一获取单元，用于获取导频序列，根据所述导频序列获得信道响应矩阵；

第二获取单元，用于根据树形拓扑关系，从预设码本中获取模拟波束成形矩阵，所述树形拓扑关系基于所述天线面板的数量生成；

第一矩阵生成单元，用于根据所述信道响应矩阵和所述模拟波束成形矩阵，生成等效信道矩阵。

7.一种预编码装置，其特征在于，所述装置包括：

第三获取单元，用于获取等效信道矩阵与模拟波束成形矩阵，所述等效信道矩阵和所述模拟波束成形矩阵采用权利要求6所述的等效信道矩阵生成装置生成；

第二矩阵生成单元，用于根据所述等效信道矩阵生成数字预编码矩阵；

第三矩阵生成单元，用于根据所述模拟波束成形矩阵和所述数字预编码矩阵，生成混合预编码矩阵。

8.一种设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储存储有等效信道矩阵生成程序，或者预编码程序，所述处理器用于执行如权利要求1至4任一项所述的等效信道矩阵生成方法，或者，所述处理器用于执行如权利要求6所述的预编码方法。

9.一种介质，所述介质为计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述的等效信道矩阵生成方法，或者，实现如权利要求5所述的预编码方法。

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