CN111953393B - 大规模mimo混合预编码器及匹配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大规模MIMO混合预编码器及匹配方法，该匹配方法建立在发射天线子阵列和用户终端之间，匹配的为用户终端的信道系数相位信息与对应发射天线子阵列的移相操作。大规模MIMO混合预编码器采用大规模MIMO混合预编码匹配方法，采用部分连接结构，将对应于K个用户终端的K路独立数据流经大规模MIMO混合预编码器处理后，再通过NTX个发射天线发送至K个用户终端。本发明利用不同发射天线子阵列到用户终端的信道增益存在差异这一事实，基于大规模MIMO混合预编码匹配方法将用户终端和发射天线子阵列匹配，使得每个用户终端能充分优化自身的发射天线子阵列增益，从而显著提升系统的频谱效率。

Description

大规模MIMO混合预编码器及匹配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种大规模MIMO混合预编码器及匹配方法。
背景技术
贝尔实验室Marzetta等提出的大规模MIMO(massive multiple-input multiple-output)技术，通过在基站配置数十至数百个天线，并结合简单的发射预编码和接收合并处理，能极大提升系统频谱效率和功率效率，遂已成为第五代移动通信系统(5G)等无线通信系统的关键技术。
图1给出了通用的大规模MIMO混合预编码器的全连接结构和部分连接结构示意。早期的大部分模数混合预编码都针对全连接结构设计。在图1a所示全连接结构中，每个射频链路通过移相器与所有天线相连，故所需移相器数量等于射频链路数与天线数之积。当天线很多时，所需移相器将达到数百甚至上千，从而导致极高的能耗和处理复杂度。因此，又提出了图1b所示基于部分连接结构的模数混合预编码，即每个射频链路仅与某个天线子阵列中所有天线相连，故所需移相器数等于天线数。上述研究表明，部分连接结构能获得比全连接结构更好的成本、复杂度和性能折衷。然而，这些主要存在两点不足：1)几乎都针对单用户系统研究，所用奇异值分解等矩阵分解方法难以推广至多用户情形，不能实现多用户复用增益；2)多采用迭代或搜索类等高复杂度算法，难以应用于实际系统。
文献[张雷,周晓锋,代红.大规模MIMO系统模数混合预编码方法[P].中国:ZL201611057987.6,2017-08-15.]针对采用部分连接结构的多用户大规模MIMO系统，提出了“基于空口信道相位信息的块对角模拟预编码+基于等效信道矩阵的迫零数字预编码”的模数混合预编码方法。该方法虽然复杂度较低，但固化了用户和天线子阵列之间的匹配方法，未能充分利用用户的不同子阵列增益存在的差异，导致性能还有较大提升空间。
发明内容
本发明提供一种大规模MIMO混合预编码器及匹配方法，利用不同发射天线子阵列到不同用户终端的信道增益存在差异这一特点，基于大规模MIMO混合预编码匹配方法将用户终端和发射天线子阵列匹配，显著提升使用部分连接结构的多用户大规模MIMO模数混合预编码频谱效率。
本发明通过下述技术方案实现：
大规模MIMO混合预编码匹配方法，该匹配方法建立在发射天线子阵列和用户终端之间；大规模MIMO混合预编码匹配方法为：
第1步，用户终端和发射天线子阵列分别赋予序号，计算对应的用户终端的所有发射天线子阵列增益；然后找到最大的发射天线子阵列增益和产生最大发射天线子阵列增益的用户终端，将所述发射天线子阵列分配给所述用户终端；
第2步，除去上一步匹配的发射天线子阵列和用户终端后，再次计算对应的用户终端的所有发射天线子阵列增益；然后找到最大的发射天线子阵列增益和产生最大发射天线子阵列增益的用户终端，将所述发射天线子阵列分配给所述用户终端；
第3步，重复第2步，直到用户终端匹配完毕；
第4步，如果发射天线子阵列未分配完，继续对所有用户终端依次按照第1、2、3步的规则从未分配发射天线子阵列集合中选择对应的发射天线子阵列，然后直至将所有发射天线子阵列分配给相应用户终端为止。
进一步：
所述大规模MIMO混合预编码匹配方法具体为用户终端顺序固定且发射天线子阵列排序匹配方法：
第1步，设用户终端序号集合为U＝{1,2,…,K}，发射天线子阵列序号集合为
Figure GDA0003471527120000021
对用户终端1，计算其对应的所有发射天线子阵列增益
Figure GDA0003471527120000022
再从中选择使η1(n)具有最大值的发射天线子阵列分配给用户终端1，将该发射天线子阵列序号记为
Figure GDA0003471527120000023
第2步，除去上一步匹配的发射天线子阵列和用户终端后，再次计算上一步匹配中的用户终端的下一个用户终端的所有发射天线子阵列增益，然后找到最大的发射天线子阵列增益，将所述发射天线子阵列分配给所述用户终端；其中：对用户终端2，计算其对应除发射天线子阵列n1以外的其余所有发射天线子阵列增益
Figure GDA0003471527120000024
再从中选择使η2(n)具有最大值的发射天线子阵列分配给用户终端2，将该发射天线子阵列序号记为
Figure GDA0003471527120000025
第3步，重复第2步，直至用户终端K分配了发射天线子阵列nK；
第4步，若K＜NRF，则还未分配的发射天线子阵列集合为
Figure GDA0003471527120000026
其中
Figure GDA0003471527120000027
表示集合
Figure GDA0003471527120000028
关于集合
Figure GDA0003471527120000029
的相对补集；继续对所有用户终端按照第1、2、3步的规则从该集合中选择对应的发射天线子阵列，直至将所有发射天线子阵列分配给相应用户终端为止。
进一步，
所述大规模MIMO混合预编码匹配方法具体为用户终端排序且发射天线子阵列排序关系：
第1步，设用户终端序号集合为U＝{1,2,…,K}，阵列序号集合为
Figure GDA0003471527120000031
对所有用户终端，计算其对应的所有发射天线子阵列增益
Figure GDA0003471527120000032
再从中选择具有最大值的ηk(n)，将其对应的用户终端序号和发射天线子阵列序号分别记为
Figure GDA0003471527120000033
和
Figure GDA0003471527120000034
即给用户终端k1分配了发射天线子阵列n1；
第2步，除去上一步匹配的发射天线子阵列和用户终端后，再次计算除去上一步匹配中的用户终端剩下的所有用户终端的所有发射天线子阵列增益，然后找到最大的发射天线子阵列增益，将所述发射天线子阵列分配给产生最大的发射天线子阵列增益的用户终端；其中：对除用户终端k1之外的其余所有用户终端，计算其对应除发射天线子阵列n1以外的其余所有发射天线子阵列增益
Figure GDA0003471527120000035
再从中选择具有最大值的ηk(n)，将其对应的用户终端序号和发射天线子阵列序号分别记为
Figure GDA0003471527120000036
和
Figure GDA0003471527120000037
即给用户终端k2分配了发射天线子阵列n2；
第3步，重复第2步，直至用户终端kK分配了发射天线子阵列nK；
第4步，若K＜NRF，则还未分配的发射天线子阵列集合为
Figure GDA0003471527120000038
继续对所有用户终端按照第1、2、3步的规则从该集合中选择对应的发射天线子阵列，直至将所有发射天线子阵列分配给相应用户终端为止。
大规模MIMO混合预编码器，采用大规模MIMO混合预编码匹配方法，采用部分连接结构，将对应于K个用户终端的K路独立数据流经大规模MIMO混合预编码器处理后，再通过NTX个发射天线发送至K个用户终端；
所述大规模MIMO混合预编码器包括：数字预编码器、射频链路、乘法器、模拟预编码器四个模块,其中，模拟预编码器的主要子模块包括移相器及用户和子阵列匹配器；
在大规模MIMO混合预编码器中：数据流1至数据流K通过数字预编码器得到数字预编码矩阵FBB，通过模拟预编码器得到模拟预编码矩阵FRF；在模拟预编码器中，用户和子阵列匹配器实现模拟预编码匹配方法；移相器基于部分连接结构对模拟预编码进行约束；射频链路1至射频链路NRF和乘法器和将数字预编码器和模拟预编码器级联在一起实现整体的混合预编码功能。
进一步，
基站有NTX个发射天线和NRF个射频链路，每个射频链路对应一个发射天线子阵列，基站通过上下行链路互易性或用户端反馈获取该基站到K个用户终端的下行空口信道矩阵H，H的阶数为K×NTX，并将对应于K个用户终端的K路独立数据流输入大规模MIMO混合预编码器，其中每一路数据流对应一个用户终端，且满足约束条件K≤NRF≤NTX。
进一步，
模拟预编码器(304)提取与每个用户终端对应的下行空口信道系数的相位信息生成该用户终端的模拟预编码向量fRF,n，再把所有用户的模拟预编码向量构建整体的模拟预编码矩阵FRF：
根据大规模MIMO混合预编码器的部分连接结构将用户终端对应的下行空口信道矩阵H划分为NRF个阶数为K×M(M＝NTX/NRF)的子矩阵Hn(n＝1,2,...,NRF)，在移相器实现模拟预编码的约束条件下，需根据用户和子阵列匹配器实现模拟预编码匹配方法从Hn中选择一个合适的行向量hn,k，并提取hn,k各元素的相位信息以构造子阵列n对应的模拟预编码向量fRF,n，得到模拟预编码矩阵FRF；
并且，在模拟预编码向量fRF,n的作用下，用户k可获得如下所示子阵列增益ηk(n)
Figure GDA0003471527120000041
进一步，
数字预编码器根据下行空口信道矩阵H和已求出的模拟预编码矩阵FRF计算出等效信道矩阵G，并对等效信道矩阵G计算伪逆和范数归一化得到数字预编码矩阵FBB：
设等效信道矩阵G＝HFRF，其阶数为K×NRF；求G的伪逆矩阵W通过下式
W＝GH(GGH)-1
矩阵W的阶数为NRF×K；记W的第k列为wk(k＝1,2,...,K)，其Frobenius范数为||wk||；以||wk||为对角元构造一对角矩阵Λ＝diag{||w1||,||w2||,...,||wK||}，则数字预编码矩阵FBB可通过下式计算：
FBB＝WΛ-1。
进一步，
大规模MIMO混合预编码器根据求解出的FRF和FBB对输入其中的K路数据流进行混合预编码，并输出一个由NTX个天线发送的NTX维信号向量x，x再通过无线通道送入K个用户终端：
将输入大规模MIMO混合预编码器的多路数据流用向量表示为s＝[s1,s2,...,sK]T；在求解出FRF和FBB之后，大规模MIMO混合预编码器的输出信号x可表示为：
x＝FRFFBBs＝Fs。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本发明利用不同发射天线子阵列到用户终端的信道增益存在差异这一事实，基于大规模MIMO混合预编码匹配方法将用户终端和发射天线子阵列匹配，使得每个用户终端能充分优化自身的发射天线子阵列增益，从而显著提升系统的频谱效率。
2.本发明与已有方法相比，本发明由于引入用户和子阵列排序及匹配而增加的计算复杂度几乎可忽略不计。
3.本发明所提预编码器可支持基站以空分形式与不超过射频链路数的任意数量的多个用户通信，为系统设计提供了灵活性。
4.本发明所提预编码器能在发射端完全消除用户间干扰，可极大简化用户端接收机设计。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是通用的大规模MIMO混合预编码器示意图，其中图a是全连接结构，图b是部分连接结构。
图2是本发明所提大规模MIMO混合预编码器用于下行多用户发送的示意图。
图3是图2大规模MIMO混合预编码器的结构示意图。
图4是在独立Rayleigh信道下且固定用户数时本发明和已有方法的和频谱效率与信噪比之间关系的仿真示意图。
图5是在独立Rayleigh信道下且信噪比为0dB时本发明和已有方法的和频谱效率与接入用户数之间关系的仿真示意图。
图6是在独立Rayleigh信道下且信噪比为10dB时本发明和已有方法的和频谱效率与接入用户数之间关系的仿真示意图。
图7是在几何Saleh-Valenzuela信道下且固定用户数时本发明和已有方法的和频谱效率与信噪比之间关系的仿真示意图。
图8是在几何Saleh-Valenzuela信道下且信噪比为0dB时本发明和已有方法的和频谱效率与接入用户数之间关系的仿真示意图。
图9是在几何Saleh-Valenzuela信道下且信噪比为10dB时本发明和已有方法的和频谱效率与接入用户数之间关系的仿真示意图。
附图中标记及对应的名称：
201-大规模MIMO混合预编码器，301-数字预编码器，302-射频链路，303-乘法器，304-模拟预编码器，305-移相器，306-用户和子阵列匹配器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
大规模MIMO混合预编码匹配方法，该匹配方法建立在发射天线子阵列n和用户终端k之间，大规模MIMO混合预编码器采用部分连接结构；
所述大规模MIMO混合预编码匹配方法采用用户终端顺序固定且发射天线子阵列排序：
如图2所示，对于K个用户终端设计基站端的大规模MIMO混合预编码器201，假设基站可通过时分双工系统的上下行链路互易性或频分双工系统的用户终端反馈获取下行信道矩阵H。下行信道矩阵H的阶数为K×NTX。根据大规模MIMO混合预编码器的部分连接结构将下行信道矩阵H划分为NRF个阶数为K×M(M＝NTX/NRF)的子矩阵Hn(n＝1,2,...,NRF)。由此，下行信道矩阵H可表示为
Figure GDA0003471527120000061
子矩阵Hn可视为第n个发射天线子阵列到K个用户终端的下行信道矩阵，因此，可将Hn表示为
Figure GDA0003471527120000071
上式中，hn,km(k＝1,2,...,K,m＝1,2,...,M)表示基站第(n-1)M+m个发射天线到第k个用户终端的信道系数，|hn,km|和
Figure GDA0003471527120000072
分别表示hn,km的幅度和相位。
在部分连接结构中使用移相器305实现模拟预编码的约束条件下，需根据一定准则从Hn中选择一个合适的行向量
Figure GDA0003471527120000073
并提取hn,k各元素的相位信息以构造子阵列n对应的模拟预编码向量fRF,n，即
Figure GDA0003471527120000074
上式中，
Figure GDA0003471527120000075
表示向量
Figure GDA0003471527120000076
的共轭转置。由此，可认为用户和子阵列匹配器306通过该准则在用户终端k和发射天线子阵列n之间建立了一个匹配方法。用户和子阵列匹配器306的输出结果决定了用户终端k和发射天线子阵列n的具体数值(k,n)，通过(k,n)值查找到子矩阵Hn的第k个行向量，该行向量包含的各信道系数的相位即决定了式(3)fRF,n中各元素指数位置相位
Figure GDA0003471527120000077
的具体数值，即移相器305对各对应天线移相操作的具体相位值。并且，在模拟预编码向量fRF,n的作用下，用户k可获得如下所示子阵列增益ηk(n)
Figure GDA0003471527120000078
第1步，设用户终端序号集合为U＝{1,2,…,K}，发射天线子阵列序号集合为
Figure GDA0003471527120000079
对用户终端1，计算其对应的所有发射天线子阵列增益
Figure GDA00034715271200000710
再从中选择使η1(n)具有最大值的发射天线子阵列分配给用户终端1，将该发射天线子阵列序号记为
Figure GDA00034715271200000711
第2步，除去上一步匹配的发射天线子阵列和用户终端后，再次计算上一步匹配中的用户终端的下一个用户终端的所有发射天线子阵列增益，然后找到最大的发射天线子阵列增益，将所述发射天线子阵列分配给所述用户终端；其中：对用户终端2，计算其对应除发射天线子阵列n1以外的其余所有发射天线子阵列增益
Figure GDA0003471527120000081
再从中选择使η2(n)具有最大值的发射天线子阵列分配给用户终端2，将该发射天线子阵列序号记为
Figure GDA0003471527120000082
第3步，重复第2步，直至用户终端K分配了发射天线子阵列nK；
第4步，若K＜NRF，则还未分配的发射天线子阵列集合为
Figure GDA0003471527120000083
其中
Figure GDA0003471527120000084
表示集合
Figure GDA0003471527120000085
关于集合
Figure GDA0003471527120000086
的相对补集；继续对所有用户终端按照第1、2、3步的规则从该集合中选择对应的发射天线子阵列，直至将所有发射天线子阵列分配给相应用户终端为止。
实施例2：
大规模MIMO混合预编码匹配方法，该匹配方法建立在发射天线子阵列n和用户终端k之间，大规模MIMO混合预编码器采用部分连接结构；
所述大规模MIMO混合预编码匹配方法采用用户终端排序且发射天线子阵列排序：
如图2所示，对于K个用户终端设计基站端的大规模MIMO混合预编码器201，假设基站可通过时分双工系统的上下行链路互易性或频分双工系统的用户终端反馈获取下行信道矩阵H。下行信道矩阵H的阶数为K×NTX。根据大规模MIMO混合预编码器的部分连接结构将下行信道矩阵H划分为NRF个阶数为K×M(M＝NTX/NRF)的子矩阵Hn(n＝1,2,...,NRF)。由此，下行信道矩阵H可表示为
Figure GDA0003471527120000087
子矩阵Hn可视为第n个发射天线子阵列到K个用户终端的下行信道矩阵，因此，可将Hn表示为
Figure GDA0003471527120000088
上式中，hn,km(k＝1,2,...,K,m＝1,2,...,M)表示基站第(n-1)M+m个发射天线到第k个用户终端的信道系数，|hn,km|和
Figure GDA0003471527120000089
分别表示hn,km的幅度和相位。
在部分连接结构中使用移相器305实现模拟预编码的约束条件下，需根据一定准则从Hn中选择一个合适的行向量
Figure GDA0003471527120000091
并提取hn,k各元素的相位信息以构造子阵列n对应的模拟预编码向量fRF,n，即
Figure GDA0003471527120000092
上式中，
Figure GDA0003471527120000093
表示向量
Figure GDA0003471527120000094
的共轭转置。由此，可认为用户和子阵列匹配器306通过该准则在用户终端k和发射天线子阵列n之间建立了一个匹配方法。用户和子阵列匹配器306的输出结果决定了用户终端k和发射天线子阵列n的具体数值(k,n)，通过(k,n)值查找到子矩阵Hn的第k个行向量，该行向量包含的各信道系数的相位即决定了式(7)fRF,n中各元素指数位置相位
Figure GDA0003471527120000095
的具体数值，即移相器305对各对应天线移相操作的具体相位值。并且，在模拟预编码向量fRF,n的作用下，用户k可获得如下所示子阵列增益ηk(n)
Figure GDA0003471527120000096
第1步，设用户终端序号集合为U＝{1,2,…,K}，阵列序号集合为
Figure GDA0003471527120000097
对所有用户终端，计算其对应的所有发射天线子阵列增益
Figure GDA0003471527120000098
再从中选择具有最大值的ηk(n)，将其对应的用户终端序号和发射天线子阵列序号分别记为
Figure GDA0003471527120000099
和
Figure GDA00034715271200000910
即给用户终端k1分配了发射天线子阵列n1；
第2步，除去上一步匹配的发射天线子阵列和用户终端后，再次计算除去上一步匹配中的用户终端剩下的所有用户终端的所有发射天线子阵列增益，然后找到最大的发射天线子阵列增益，将所述发射天线子阵列分配给产生最大的发射天线子阵列增益的用户终端；其中：对除用户终端k1之外的其余所有用户终端，计算其对应除发射天线子阵列n1以外的其余所有发射天线子阵列增益
Figure GDA00034715271200000911
再从中选择具有最大值的ηk(n)，将其对应的用户终端序号和发射天线子阵列序号分别记为
Figure GDA00034715271200000912
和
Figure GDA00034715271200000913
即给用户终端k2分配了发射天线子阵列n2；
第3步，重复第2步，直至用户终端kK分配了发射天线子阵列nK；
第4步，若K＜NRF，则还未分配的发射天线子阵列集合为
Figure GDA0003471527120000101
继续对所有用户终端按照第1、2、3步的规则从该集合中选择对应的发射天线子阵列，直至将所有发射天线子阵列分配给相应用户终端为止。
实施例3：
大规模MIMO混合预编码器采用大规模MIMO混合预编码匹配方法，该匹配方法建立在发射天线子阵列n和用户终端k之间，大规模MIMO混合预编码器采用部分连接结构：
所述大规模MIMO混合预编码器201包括：数字预编码器301、射频链路302、乘法器303、模拟预编码器304四个模块,其中，模拟预编码器304的主要子模块包括移相器305及用户和子阵列匹配器306；
在大规模MIMO混合预编码器201中：数据流1至数据流K通过数字预编码器301得到数字预编码矩阵FBB，通过模拟预编码器304得到模拟预编码矩阵FRF；在模拟预编码器304中，用户和子阵列匹配器306实现模拟预编码匹配方法；移相器305基于部分连接结构对模拟预编码进行约束；射频链路1至射频链路NRF和乘法器303和将数字预编码器301和模拟预编码器304级联在一起实现整体的混合预编码功能。
具体为：
S1、基站有NTX个发射天线和NRF个射频链路，每个射频链路对应一个发射天线子阵列，基站通过上下行链路互易性或用户端反馈获取该基站到K个用户终端的下行空口信道矩阵H，H的阶数为K×NTX，并将对应于K个用户终端的K路独立数据流输入大规模MIMO混合预编码器201，其中每一路数据流对应一个用户终端，且满足约束条件K≤NRF≤NTX。
S2、如图2所示，对于K个用户终端设计基站端的大规模MIMO混合预编码器201，假设基站可通过时分双工系统的上下行链路互易性或频分双工系统的用户终端反馈获取下行信道矩阵H。下行信道矩阵H的阶数为K×NTX。根据大规模MIMO混合预编码器的部分连接结构将下行信道矩阵H划分为NRF个阶数为K×M(M＝NTX/NRF)的子矩阵Hn(n＝1,2,...,NRF)。由此，下行信道矩阵H可表示为
Figure GDA0003471527120000102
子矩阵Hn可视为第n个发射天线子阵列到K个用户终端的下行信道矩阵，因此，可将Hn表示为
Figure GDA0003471527120000111
上式中，hn,km(k＝1,2,...,K,m＝1,2,...,M)表示基站第(n-1)M+m个发射天线到第k个用户终端的信道系数，|hn,km|和
Figure GDA0003471527120000112
分别表示hn,km的幅度和相位。
在部分连接结构中使用移相器305实现模拟预编码的约束条件下，需根据一定准则从Hn中选择一个合适的行向量
Figure GDA0003471527120000113
并提取hn,k各元素的相位信息以构造子阵列n对应的模拟预编码向量fRF,n，即
Figure GDA0003471527120000114
上式中，
Figure GDA0003471527120000115
表示向量
Figure GDA0003471527120000116
的共轭转置。由此，可认为用户和子阵列匹配器306通过该准则在用户终端k和发射天线子阵列n之间建立了一个匹配方法。用户和子阵列匹配器306的输出结果决定了用户终端k和发射天线子阵列n的具体数值(k,n)，通过(k,n)值查找到子矩阵Hn的第k个行向量，该行向量包含的各信道系数的相位即决定了式(11)fRF,n中各元素指数位置相位
Figure GDA0003471527120000117
的具体数值，即移相器305对各对应天线移相操作的具体相位值。并且，在模拟预编码向量fRF,n的作用下，用户k可获得如下所示子阵列增益ηk(n)
Figure GDA0003471527120000118
在文献[张雷,周晓锋,代红.大规模MIMO系统模数混合预编码方法[P].中国:ZL201611057987.6,2017-08-15.]的方案中，发射天线子阵列n和用户终端k之间的匹配方法是固定的：发射天线子阵列1和用户终端1匹配，发射天线子阵列2和用户终端2匹配，……发射天线子阵列K和用户终端K匹配；发射天线子阵列K+1和用户终端1匹配，发射天线子阵列K+2和用户终端2匹配，……，发射天线子阵列2K和用户终端2K匹配……以此类推，直至所有发射天线子阵列都匹配了对应用户终端。可将此匹配方法命名为“用户终端顺序固定且发射天线子阵列顺序固定”，其模拟预编码矩阵具有如下块对角结构。
Figure GDA0003471527120000121
注意到用户终端k的发射天线子阵列增益ηk(n)是关于n的函数，即对同一用户终端但不同的n值，ηk(n)存在差异。因此，本实施例提出两种新的关系建立发射天线子阵列n和用户终端k之间的匹配方法，以最大化用户终端k的发射天线子阵列增益ηk(n)。
匹配方法1：用户终端顺序固定且发射天线子阵列排序：
第1步，设用户终端序号集合为U＝{1,2,…,K}，发射天线子阵列序号集合为
Figure GDA0003471527120000122
对用户终端1，计算其对应的所有发射天线子阵列增益
Figure GDA0003471527120000123
再从中选择使η1(n)具有最大值的发射天线子阵列分配给用户终端1，将该发射天线子阵列序号记为
Figure GDA0003471527120000124
第2步，除去上一步匹配的发射天线子阵列和用户终端后，再次计算上一步匹配中的用户终端的下一个用户终端的所有发射天线子阵列增益，然后找到最大的发射天线子阵列增益，将所述发射天线子阵列分配给所述用户终端；其中：对用户终端2，计算其对应除发射天线子阵列n1以外的其余所有发射天线子阵列增益
Figure GDA0003471527120000125
再从中选择使η2(n)具有最大值的发射天线子阵列分配给用户终端2，将该发射天线子阵列序号记为
Figure GDA0003471527120000126
第3步，重复第2步，直至用户终端K分配了发射天线子阵列nK；
第4步，若K＜NRF，则还未分配的发射天线子阵列集合为
Figure GDA0003471527120000127
其中
Figure GDA0003471527120000128
表示集合
Figure GDA0003471527120000129
关于集合
Figure GDA00034715271200001210
的相对补集；继续对所有用户终端按照第1、2、3步的规则从该集合中选择对应的发射天线子阵列，直至将所有发射天线子阵列分配给相应用户终端为止。
匹配方法2：用户终端排序且发射天线子阵列排序：
第1步，设用户终端序号集合为U＝{1,2,…,K}，阵列序号集合为
Figure GDA00034715271200001211
对所有用户终端，计算其对应的所有发射天线子阵列增益
Figure GDA00034715271200001212
再从中选择具有最大值的ηk(n)，将其对应的用户终端序号和发射天线子阵列序号分别记为
Figure GDA00034715271200001213
和
Figure GDA00034715271200001214
即给用户终端k1分配了发射天线子阵列n1；
第2步，除去上一步匹配的发射天线子阵列和用户终端后，再次计算除去上一步匹配中的用户终端剩下的所有用户终端的所有发射天线子阵列增益，然后找到最大的发射天线子阵列增益，将所述发射天线子阵列分配给产生最大的发射天线子阵列增益的用户终端；其中：对除用户终端k1之外的其余所有用户终端，计算其对应除发射天线子阵列n1以外的其余所有发射天线子阵列增益
Figure GDA0003471527120000131
再从中选择具有最大值的ηk(n)，将其对应的用户终端序号和发射天线子阵列序号分别记为
Figure GDA0003471527120000132
和
Figure GDA0003471527120000133
即给用户终端k2分配了发射天线子阵列n2；
第3步，重复第2步，直至用户终端kK分配了发射天线子阵列nK；
第4步，若K＜NRF，则还未分配的发射天线子阵列集合为
Figure GDA0003471527120000134
继续对所有用户终端按照第1、2、3步的规则从该集合中选择对应的发射天线子阵列，直至将所有发射天线子阵列分配给相应用户终端为止。
匹配方法1和匹配方法2生成的模拟预编码矩阵不再具有式(13)所示的块对角结构，而是具有如下所示更一般的块稀疏结构
Figure GDA0003471527120000135
式(14)是式(13)的推广，式(14)对应的模拟预编码矩阵FRF的主要特点是：
1)为块稀疏矩阵，每个非零块是发射天线子阵列n的预编码向量fRF,n。fRF,n一定位于FRF的第n个块行，即FRF的第(n-1)M+1至nM行；但fRF,n对应的列则取决于与发射天线子阵列n匹配的用户终端序号k。
2)任意一块行和任意一列仅有一个非零块fRF,n，这表明每个射频链路仅与它对应的发射天线子阵列相连，即满足部分连接结构。
3)每一列所有非零元素的模相等，这表明FRF只涉及相位变换，即可通过移相器实现。
4)每一列的Frobenius范数都为1，这表明FRF不改变信号的功率。
S3、数字预编码器301根据下行空口信道矩阵H和已求出的模拟预编码矩阵FRF计算出等效信道矩阵G，并对等效信道矩阵G计算伪逆和范数归一化得到数字预编码矩阵FBB：
设等效信道矩阵G＝HFRF，其阶数为K×NRF。求G的伪逆矩阵W
W＝GH(GGH)-1 (15)
矩阵W的阶数为NRF×K。记W的第k列为wk(k＝1,2,...,K)，其Frobenius范数为||wk||。以||wk||为对角元构造一对角矩阵Λ＝diag{||w1||,||w2||,...,||wK||}，则数字预编码矩阵FBB可通过下式计算
FBB＝WΛ-1 (16)
式(16)的处理保证了总的预编码矩阵F＝FRFFBB各列的Frobenius范数都为1，即总的预编码处理不改变信号的功率。
S4、模数大规模MIMO混合预编码器根据求解出的FRF和FBB对输入其中的K路数据流进行模数混合预编码，并输出一个由NTX个发射天线发送的NTX维信号向量x，x再通过无线通道送入K个用户终端。
根据模拟预编码矩阵FRF和数字预编码矩阵FBB对输入的多路数据流进行模数混合预编码。
将输入大规模MIMO混合预编码器201的多路数据流用向量表示为s＝[s1,s2,...,sK]T。在求解出FRF和FBB之后，大规模MIMO混合预编码器201的输出信号可表示为
x＝FRFFBBs＝Fs (17)
上式中，输出信号x是一个Nt维列向量，分别由Nt个天线发送。
由式(15)和(16)可知，由于采用了求逆和范数归一化处理，信道矩阵与预编码矩阵的乘积为
HF＝Λ-1 (18)
因Λ-1为对角矩阵，故预编码完全消除了用户间干扰，这意味着经过预编码处理和空口信道传输后，每个用户仅接收到其自身期望信号。由此，用户端接收机的设计可大为简化。最终，系统获得的和频谱效率R可表示为
Figure GDA0003471527120000141
上式中，P表示基站端总的发射功率，σ2表示用户端接收机噪声功率。
与文献[张雷,周晓锋,代红.大规模MIMO系统模数混合预编码方法[P].中国:ZL201611057987.6,2017-08-15.]已有方法相比，本发明引入了用户终端和发射天线子阵列排序及匹配处理，该处理需要根据式(12)计算ηk(n)，即计算若干信道系数的模之和，由此增加的计算复杂度与整个预编码流程(求解数字预编码矩阵FBB还需计算矩阵乘法和求逆)相比可忽略不计。
参阅图4、图5和图6。通过仿真比较了文献[张雷,周晓锋,代红.大规模MIMO系统模数混合预编码方法[P].中国:ZL201611057987.6,2017-08-15.]基于“用户终端顺序固定且发射天线子阵列顺序固定”、本发明所提基于“用户终端顺序固定且发射天线子阵列排序”和“用户终端排序且发射天线子阵列排序”三种匹配方法的模数混合预编码的和频谱效率。仿真条件和主要参数为：信道服从Rayleigh衰落，且所有收发天线对之间的信道互相独立；基站天线数NTX＝256，射频链路数NRF＝16；所有用户终端为单天线接收；基站能获取准确的下行信道矩阵H。
图4给出了用户终端数K＝16时三种匹配方法的和频谱效率R与信噪比P/σ2之间的关系。从中看出：在所示信噪比区域，所提“用户终端顺序固定且发射天线子阵列排序”匹配方法和“用户终端排序且发射天线子阵列排序”匹配方法分别比已有“用户终端顺序固定且发射天线子阵列顺序固定”匹配方法的和频谱效率提升了约27％～85％和34％～100％；提升幅度随信噪比减小而增大。
图5和图6分别给出了信噪比P/σ2为0dB和10dB时三种匹配方法的和频谱效率R与用户终端数K之间的关系。从中看出：当信噪比固定时，和频谱效率都呈现出随用户终端数增加而先逐渐升高至一定峰值再逐渐降低的特点；信噪比越低，和频谱效率峰值对应的最佳用户终端数K越小。信噪比P/σ2＝0dB时，所提“用户终端排序且发射天线子阵列排序”匹配方法、“用户终端顺序固定且发射天线子阵列排序”匹配方法和已有“用户终端顺序固定且发射天线子阵列顺序固定”匹配方法的和频谱效率峰值对应的最佳用户终端数分别为8、8和7，前两者的和频谱效率峰值分别比后者提升了约12％和16％。信噪比P/σ2＝10dB时，所提“用户终端排序且发射天线子阵列排序”匹配方法、“用户终端顺序固定且发射天线子阵列排序”匹配方法和已有“用户终端顺序固定且发射天线子阵列顺序固定”匹配方法的和频谱效率峰值对应的最佳用户终端数均为11，且前两者的和频谱效率峰值分别比后者提升了约10％和15％。
参阅图7、图8和图9。通过仿真比较了文献[张雷,周晓锋,代红.大规模MIMO系统模数混合预编码方法[P].中国:ZL201611057987.6,2017-08-15.]基于“用户终端顺序固定且发射天线子阵列顺序固定”、本发明所提基于“用户终端顺序固定且发射天线子阵列排序”和“用户终端排序且发射天线子阵列排序”三种匹配方法的模数混合预编码的和频谱效率。仿真条件和主要参数为：信道为文献[Han S.,I C.-L,Xu Z,et al.Large-scale antennasystems with hybrid precoding analog and digital beamforming for millimeterwave 5G[J].IEEE Commun.Mag.,2015,53(1):186–194.][Liang L.,Xu W.,Dong X.Low-complexity hybrid precoding in massive multiuser MIMO systems[J].IEEEWireless Commun.Lett.,2014,3(6):653–656.]等广泛采用的毫米波大规模MIMO几何Saleh-Valenzuela模型，每个用户信道的路径数L＝2，每个用户信道的中心方位角在[0,2π]内均匀分布，其对应的多条路径的方位角以该中心方位角为中心在[-π/9,π/9]内均匀分布，每条路径的增益服从Rayleigh分布；基站天线为均匀线性阵列，天线间距为半波长，基站天线数NTX＝256，射频链路数NRF＝16；所有用户终端为单天线接收；基站能获取准确的下行信道矩阵H。
图7给出了用户终端数K＝16时三种匹配方法的和频谱效率R与信噪比P/σ2之间的关系。从中看出：在所示信噪比区域，所提“用户终端顺序固定且发射天线子阵列排序”匹配方法和“用户终端排序且发射天线子阵列排序”匹配方法分别比已有“用户终端顺序固定且发射天线子阵列顺序固定”匹配方法的和频谱效率提升了约10％～36％和14％～44％；提升幅度同样随信噪比减小而增大。
图8和图9分别给出了信噪比P/σ2为0dB和10dB时三种匹配方法的和频谱效率R与用户终端数K之间的关系。从中看出：当信噪比固定时，和频谱效率都呈现出随用户终端数增加而先逐渐升高至一定峰值再逐渐降低的特点；信噪比越低，和频谱效率峰值对应的最佳用户终端数K越小。信噪比P/σ2＝0dB时，所提“用户终端排序且发射天线子阵列排序”匹配方法、“用户终端顺序固定且发射天线子阵列排序”匹配方法和已有“用户终端顺序固定且发射天线子阵列顺序固定”匹配方法的和频谱效率峰值对应的最佳用户终端数分别为9、8和8，前两者的和频谱效率峰值分别比后者提升了约9％和13％。信噪比P/σ2＝10dB时，所提“用户终端排序且发射天线子阵列排序”匹配方法、“用户终端顺序固定且发射天线子阵列排序”匹配方法和已有“用户终端顺序固定且发射天线子阵列顺序固定”匹配方法的和频谱效率峰值对应的最佳用户终端数均为12，且前两者的和频谱效率峰值分别比后者提升了约7％和12％。
本发明所提两种匹配方法相对于文献[张雷,周晓锋,代红.大规模MIMO系统模数混合预编码方法[P].中国:ZL201611057987.6,2017-08-15.]匹配方法的性能改善幅度在几何Saleh-Valenzuela信道情形比独立Rayleigh信道情形有所减小，主要原因是几何Saleh-Valenzuela信道条件下稀疏路径数L仅设置为2，这会导致下行信道具有高空间相关性，从而减小了用户终端不同发射天线子阵列增益之间的差异，最终降低了所提两种匹配方法的性能增益。发明人更多的仿真结果表明，只要略微增大L值(比如设L＝4)，所提两种匹配方法相对于文献[张雷,周晓锋,代红.大规模MIMO系统模数混合预编码方法[P].中国:ZL201611057987.6,2017-08-15.]匹配方法的性能改善幅度会明显增大。因此，可以将L＝2视为对所提两种匹配方法几乎最不利的情形；即使如此，所提两种匹配方法也获得了如前所述的一定性能改善。
综上所述，本发明提供的基于“用户终端顺序固定且发射天线子阵列排序”和“用户终端排序且发射天线子阵列排序”匹配方法的多用户终端大规模MIMO混合预编码器，在略微增加计算复杂度的前提下，相比已有基于“用户终端顺序固定且发射天线子阵列顺序固定”匹配方法的多用户终端大规模MIMO混合预编码器，可显著改善系统的和频谱效率。改善的幅度随信噪比减小而增大，随信道独立性增加而增大。考虑到5G和未来无线通信系统的绿色节能需求，大规模MIMO系统的平均发射功率通常较小，导致用户接收机的平均信噪比较低；且可通过采用平面或立体结构增大基站不同天线子阵列之间距离的设计方式来降低子阵列的空间相关性。因此，本发明为使用部分连接结构的多用户大规模MIMO系统提供了一种能有效提升频谱效率的模数混合预编码方法。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大规模MIMO混合预编码匹配方法，其特征在于，该匹配方法建立在发射天线子阵列和用户终端之间，匹配的为用户终端的信道系数相位信息与对应发射天线子阵列的移相操作，所述信道系数相位信息为发射天线到用户终端天线的空口信道系数的相位值，所述移相操作为模拟预编码；大规模MIMO混合预编码匹配方法为：
第1步，用户终端和发射天线子阵列分别赋予序号，计算对应的用户终端的所有发射天线子阵列增益；然后找到最大的发射天线子阵列增益和产生最大发射天线子阵列增益的用户终端，将所述发射天线子阵列分配给所述用户终端；
第2步，除去上一步匹配的发射天线子阵列和用户终端后，再次计算对应的用户终端的所有发射天线子阵列增益；然后找到最大的发射天线子阵列增益和产生最大发射天线子阵列增益的用户终端，将所述发射天线子阵列分配给所述用户终端；
第3步，重复第2步，直到用户终端匹配完毕；
第4步，如果发射天线子阵列未分配完，继续对所有用户终端依次按照第1、2、3步的规则从未分配发射天线子阵列集合中选择对应的发射天线子阵列，然后直至将所有发射天线子阵列分配给相应用户终端为止；
所述匹配方法采用部分连接结构的混合预编码器实现，所述部分连接结构将对应于K个用户终端的K路独立数据流经大规模MIMO混合预编码器(201)处理后，再通过NTX个发射天线发送至K个用户终端；
在大规模MIMO混合预编码器(201)中：对应于K个用户终端的数据流1至数据流K通过数字预编码器(301)得到数字预编码矩阵FBB，通过模拟预编码器(304)得到模拟预编码矩阵FRF；在模拟预编码器(304)中，用户和子阵列匹配器(306)实现模拟预编码匹配方法；移相器(305)基于部分连接结构对模拟预编码进行约束；射频链路1至射频链路NRF和乘法器(303)和将数字预编码器(301)和模拟预编码器(304)级联在一起实现整体的混合预编码功能；且每一路数据流对应一个用户终端，且满足约束条件K≤NRF≤NTX。
2.根据权利要求1所述的一种大规模MIMO混合预编码匹配方法，其特征在于，
所述大规模MIMO混合预编码匹配方法具体为用户终端顺序固定且发射天线子阵列排序匹配方法：
第1步，设用户终端序号集合为U＝{1,2,…,K}，发射天线子阵列序号集合为
Figure FDA0003471527110000011
对用户终端1，计算其对应的所有发射天线子阵列增益
Figure FDA0003471527110000012
再从中选择使η1(n)具有最大值的发射天线子阵列分配给用户终端1，将该发射天线子阵列序号记为
Figure FDA0003471527110000021
第2步，除去上一步匹配的发射天线子阵列和用户终端后，再次计算上一步匹配中的用户终端的下一个用户终端的所有发射天线子阵列增益，然后找到最大的发射天线子阵列增益，将所述发射天线子阵列分配给所述用户终端；其中：对用户终端2，计算其对应除发射天线子阵列n1以外的其余所有发射天线子阵列增益
Figure FDA0003471527110000022
其中
Figure FDA0003471527110000023
表示集合
Figure FDA0003471527110000024
关于集合
Figure FDA0003471527110000025
的相对补集，从中选择使η2(n)具有最大值的发射天线子阵列分配给用户终端2，将该发射天线子阵列序号记为
Figure FDA0003471527110000026
第3步，重复第2步，直至用户终端K分配了发射天线子阵列nK；
第4步，若K＜NRF，则还未分配的发射天线子阵列集合为
Figure FDA0003471527110000027
其中
Figure FDA0003471527110000028
表示集合
Figure FDA0003471527110000029
关于集合
Figure FDA00034715271100000210
的相对补集；继续对所有用户终端按照第1、2、3步的规则从该集合中选择对应的发射天线子阵列，直至将所有发射天线子阵列分配给相应用户终端为止。
3.根据权利要求1所述的一种大规模MIMO混合预编码匹配方法，其特征在于，
所述大规模MIMO混合预编码匹配方法具体为用户终端排序且发射天线子阵列排序关系：
第1步，设用户终端序号集合为U＝{1,2,…,K}，阵列序号集合为
Figure FDA00034715271100000211
对所有用户终端，计算其对应的所有发射天线子阵列增益
Figure FDA00034715271100000212
再从中选择具有最大值的ηk(n)，将其对应的用户终端序号和发射天线子阵列序号分别记为
Figure FDA00034715271100000213
和
Figure FDA00034715271100000214
即给用户终端k1分配了发射天线子阵列n1；
第2步，除去上一步匹配的发射天线子阵列和用户终端后，再次计算除去上一步匹配中的用户终端剩下的所有用户终端的所有发射天线子阵列增益，然后找到最大的发射天线子阵列增益，将所述发射天线子阵列分配给产生最大的发射天线子阵列增益的用户终端；其中：对除用户终端k1之外的其余所有用户终端，计算其对应除发射天线子阵列n1以外的其余所有发射天线子阵列增益
Figure FDA00034715271100000215
其中
Figure FDA00034715271100000216
表示集合
Figure FDA00034715271100000217
关于集合
Figure FDA00034715271100000218
的相对补集，再从中选择具有最大值的ηk(n)，将其对应的用户终端序号和发射天线子阵列序号分别记为
Figure FDA00034715271100000219
和
Figure FDA00034715271100000220
即给用户终端k2分配了发射天线子阵列n2；
第3步，重复第2步，直至用户终端kK分配了发射天线子阵列nK；
第4步，若K＜NRF，则还未分配的发射天线子阵列集合为
Figure FDA0003471527110000031
其中
Figure FDA0003471527110000032
表示集合
Figure FDA0003471527110000033
关于集合
Figure FDA0003471527110000034
的相对补集，继续对所有用户终端按照第1、2、3步的规则从该集合中选择对应的发射天线子阵列，直至将所有发射天线子阵列分配给相应用户终端为止。
4.一种大规模MIMO混合预编码器，其特征在于，采用权利要求1-3中任一所述的大规模MIMO混合预编码匹配方法，采用部分连接结构，将对应于K个用户终端的K路独立数据流经大规模MIMO混合预编码器(201)处理后，再通过NTX个发射天线发送至K个用户终端；
所述大规模MIMO混合预编码器(201)包括：数字预编码器(301)、射频链路(302)、乘法器(303)、模拟预编码器(304)四个模块,其中，模拟预编码器(304)的主要子模块包括移相器(305)及用户和子阵列匹配器(306)；
在大规模MIMO混合预编码器(201)中：对应于K个用户终端的数据流1至数据流K通过数字预编码器(301)得到数字预编码矩阵FBB，通过模拟预编码器(304)得到模拟预编码矩阵FRF；在模拟预编码器(304)中，用户和子阵列匹配器(306)实现模拟预编码匹配方法；移相器(305)基于部分连接结构对模拟预编码进行约束；射频链路1至射频链路NRF和乘法器(303)和将数字预编码器(301)和模拟预编码器(304)级联在一起实现整体的混合预编码功能。
5.根据权利要求4所述的一种大规模MIMO混合预编码器，其特征在于，
基站有NTX个发射天线和NRF个射频链路，每个射频链路对应一个发射天线子阵列，基站通过上下行链路互易性或用户端反馈获取该基站到K个用户终端的下行空口信道矩阵H，H的阶数为K×NTX，并将对应于K个用户终端的K路独立数据流输入大规模MIMO混合预编码器(201)，其中每一路数据流对应一个用户终端，且满足约束条件K≤NRF≤NTX。
6.根据权利要求5所述的一种大规模MIMO混合预编码器，其特征在于，
模拟预编码器(304)提取与每个用户终端对应的下行空口信道系数的相位信息生成该用户终端的模拟预编码向量fRF,n，再把所有用户的模拟预编码向量构建整体的模拟预编码矩阵FRF：
根据大规模MIMO混合预编码器的部分连接结构将用户终端对应的下行空口信道矩阵H划分为NRF个阶数为K×M的子矩阵Hn，其中M＝NTX/NRF，n＝1,2,...,NRF，在移相器(305)实现模拟预编码的约束条件下，需根据用户和子阵列匹配器(306)实现模拟预编码匹配方法从Hn中选择一个行向量hn,k，并提取hn,k各元素的相位信息以构造子阵列n对应的模拟预编码向量fRF,n，得到模拟预编码矩阵FRF；
并且，在模拟预编码向量fRF,n的作用下，用户k获得如下所示子阵列增益ηk(n)
Figure FDA0003471527110000041
7.根据权利要求6所述的一种大规模MIMO混合预编码器，其特征在于，
数字预编码器(301)根据下行空口信道矩阵H和已求出的模拟预编码矩阵FRF计算出等效信道矩阵G，并对等效信道矩阵G计算伪逆和范数归一化得到数字预编码矩阵FBB：
设等效信道矩阵G＝HFRF，其阶数为K×NRF；求G的伪逆矩阵W通过下式
W＝GH(GGH)-1
矩阵W的阶数为NRF×K；记W的第k列为wk，k＝1,2,...,K，其Frobenius范数为||wk||；以||wk||为对角元构造一对角矩阵Λ＝diag{||w1||,||w2||,...,||wK||}，则数字预编码矩阵FBB通过下式计算：
FBB＝WΛ-1。
8.根据权利要求7所述的一种大规模MIMO混合预编码器，其特征在于，
大规模MIMO混合预编码器(201)根据求解出的FRF和FBB对输入其中的K路数据流进行混合预编码，并输出一个由NTX个天线发送的NTX维信号向量x，x再通过无线通道送入K个用户终端：
将输入大规模MIMO混合预编码器的多路数据流用向量表示为s＝[s1,s2,...,sK]T；在求解出FRF和FBB之后，大规模MIMO混合预编码器的输出信号x表示为：
x＝FRFFBBs＝Fs。
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