CN112671438B - 大规模mimo中基于虚拟子阵列的模拟预编码系统及方法 - Google Patents

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CN112671438B CN202011519904.7A CN202011519904A CN112671438B CN 112671438 B CN112671438 B CN 112671438B CN 202011519904 A CN202011519904 A CN 202011519904A CN 112671438 B CN112671438 B CN 112671438B
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Abstract

本发明公开了大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码系统及方法，其特征在于，所述模拟预编码方法包括：获取NRF个基带数据流，并将NRF个基带数据流通过NRF个射频链路输入到模拟预编码器中做模拟预编码，获得NTX个发射天线信号；将获得的NTX个发射天线信号通过NTX个发射天线分别发送；所述模拟预编码为：NRF个维基带数据向量x通过y＝FRFx做模拟预编码，获得NTX维向量y，所述NTX维向量y包含NTX路信号，且由NTX路信号通过NTX个发射天线分别发送，NRF≤NTX，FRF为模拟预编码矩阵；本发明的有益效果为无需改变基站大规模天线的物理形态和真理结构，仅对其作虚拟子阵列划分，增加系统设计的灵活性；仅需查找有限个信道系数中具有最大模的系数的相位和序号信息，减少了计算的复杂度。

Description

大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码系统及方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码系统及方法。
背景技术
大规模MIMO(massive multiple-input multiple-output)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，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。理论上，在下行链路中大规模MIMO需采用全数字预编码以获取最优系统性能。然而，基带的数字化处理要求天线阵列每个阵元具有独立的射频链路，导致复杂度、成本和功耗相对于传统MIMO急剧上升，这在很大程度上限制了大规模MIMO的实际应用。由此，研究人员提出了射频链路数少于基站天线数的模数混合预编码方案。其基本思想是：将预编码分解为基带低维数字预编码和射频高维模拟预编码两个部分，且后者通常使用简单的移相器实现。
图1给出了通用的大规模MIMO模数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；天线很多时，所需移相器将达到数百甚至上千，从而导致较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。已有研究表明，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，已有研究多采用迭代或搜索类等高复杂度算法来求解模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵，难以应用于实际系统。
采用部分连接结构大规模MIMO模数混合预编码可适用于单用户和多用户两种情形。针对单用户场景，文献[Ming Zhu,et al.Low-Complexity Partially-ConnectedHybrid Precoding for Massive MIMO Systems[C].Proceedings of IEEE WirelessCommunications&Networking Conference(WCNC),2020:1-6.]提出了“固定子阵列+基于空口信道相位信息的块对角模拟预编码+基于等效信道矩阵奇异值分解的数字预编码”的模数混合预编码方法。针对多用户场景，文献[张雷,等.大规模MIMO系统模数混合预编码方法[P].中国:ZL201611057987.6,2017-08-15.]提出了“固定子阵列+基于空口信道相位信息的块对角模拟预编码+基于等效信道矩阵求逆的数字预编码”的模数混合预编码方法。这两种方法的共同特点是：每个射频链路与预先设定好的固定子阵列连接；能分别求出模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵的简单闭合解，且都基于空口信道相位信息设计具有块对角结构的模拟预编码矩阵，以在模拟预编码阶段实现等增益发送的子阵列增益，因而能以极低复杂度获得不错的总体性能。
但是，上述技术固定了射频链路和天线子阵列之间的连接关系，且在设计模拟预编码矩阵时，均提取固定收发天线对之间的信道系数相位信息生成基站每一发射天线的移相值。这种“双固定”模式未充分利用大规模MIMO信道的空间自由度，未能获得足够的模拟预编码增益，导致整体的混合预编码性能还有较大提升空间。
发明内容
本发明的目的在于提供大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码系统及方法，利用不同发射天线到不同接收天线的信道增益存在差异，对每一发射天线选择具有最大信道增益的信道系数的相位信息生成该发射天线的模拟预编码系数和移相值，并根据已选信道系数对应的收发天线序号建立每一射频链路与对应发射天线的连接关系，生成相应的虚拟子阵列，可获得更高的模拟预编码增益。
本发明通过下述技术方案实现：
大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码方法，所述模拟预编码方法包括：
获取NRF个基带数据流，并将NRF个基带数据流通过NRF个射频链路输入到模拟预编码器中做模拟预编码，获得NTX个发射天线信号；
将获得的NTX个发射天线信号通过NTX个发射天线分别发送；
所述模拟预编码为：NRF个维基带数据向量x通过y＝FRFx做模拟预编码，获得NTX维向量y，所述NTX维向量y包含NTX路信号，且由NTX路信号通过NTX个发射天线分别发送，NRF≤NTX，FRF为模拟预编码矩阵。
优选地，预编码器包括虚拟子阵列生成器与移相器；
所述虚拟子阵列生成器通过逐元最大化信道增益准则构建每一射频链路对应的虚拟子阵列，并将NRF个射频链路分别与相应的发射天线连接；
所述移相器根据逐元最大化信道增益准则调整发射天线的相位。
优选地，所述逐元最大化信道增益准则为：
查找下行信道矩阵H的第nTX列所有K个信道系数中具有最大模的系数；
通过获取的具有最大模的信道系数优化模拟预编码矩阵FRF，并得到较大的虚拟子阵列增益。
优选地，所述模拟预编码矩阵FRF的计算过程为：
Figure BDA0002848609790000031
算符
Figure BDA0002848609790000032
表示对NRF/K向上取整，将Q分为当q＝1，2，3，...，Q-1时与当q＝Q时分别进行计算：
当q＝1，2，3，...，Q-1时，所述模拟预编码向量FRF的表达式为：
Figure BDA0002848609790000033
nTX＝(q-1)KM+1，(q-1)KM+2，...，(q-1)KM+KM
Figure BDA0002848609790000034
为天线nTX的移相值，nTX发射天线，
Figure BDA0002848609790000035
为信道矩阵H的第nTX列所有K个信道系数
Figure BDA0002848609790000036
中具有最大模的系数的行序号，
Figure BDA0002848609790000037
为模拟预编码矩阵FRF的第
Figure BDA0002848609790000038
个元素的相位；同时删除被选中M次的接收天线对应的信道系数；
当q＝Q时，所述模拟预编码向量FRF的表达式为：
Figure BDA0002848609790000039
其中，nTX＝(Q-1)KM+1，(Q-1)KM+2，...，NTX
Figure BDA00028486097900000310
为天线nTX的移相值，nTX发射天线，
Figure BDA00028486097900000311
为信道矩阵H的第nTX列的前NRF-(Q-1)K个信道系数
Figure BDA00028486097900000312
中具有最大模的系数的行序号，
Figure BDA00028486097900000313
为模拟预编码矩阵FRF的第
Figure BDA00028486097900000314
个元素的相位，同时删除被选中M次的接收天线对应的信道系数。
优选地，所述下行信道矩阵H为：
Figure BDA00028486097900000315
Figure BDA00028486097900000316
表示基站第nTX个天线到第k个接收天线的信道系数，
Figure BDA00028486097900000317
和
Figure BDA00028486097900000318
分别表示
Figure BDA00028486097900000319
的幅度和相位。
优选地，所述虚拟子阵列增益ηn表达式为：
Figure BDA0002848609790000041
Figure BDA0002848609790000042
表示由下行信道矩阵H第(k,m1)、(k,m2)、……、(k,mM)元素构成的信道向量。
优选地，所述模拟预编码向量fn的表达式为：
Figure BDA0002848609790000043
n为第n个射频链路，算符“H”表示向量
Figure BDA0002848609790000044
的共轭转置，A为发射天线的序号集合且A＝{1,2,...,N}，U为接收天线的序号集合且U＝{1,2,K,K}，M为虚拟子阵列的天线数。
优选地，所述模拟预编码矩阵FRF中，每一列的Frobenius范数都为1。
优选地，所述模拟预编码矩阵FRF为块稀疏结构矩阵，且每一行仅有一个非零元素，每一列有M个非零元素且第n列中的M个非零元素构成了射频链路n对应的模拟预编码向量fn，M为信道系数，所述非零元素为模拟预编码系数，所述非零元素为模拟预编码系数。
本发明还公开了大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码系统，所述系统包括数字预编码器与模拟预编码器；
所述数字预编码器用于对原始数据流做数字预编码获得基带数据流；
所述模拟预编码器采用如权利要求1-9中任一一项所述的大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码系统及方法对所述基带数据流做模拟预编码。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提供的大规模MIMO中大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码系统及方法，无需改变基站大规模天线的物理形态和真理结构，仅对其作虚拟子阵列划分，增加系统设计的灵活性；
2、本发明提供的大规模MIMO中大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码系统及方法，通过查找有限个信道系数最大模值，减少了计算的复杂度；
3、本发明提供的大规模MIMO中大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码系统及方法，利用不同发射天线到不同接收天线的信道增益存在差异，对每一发射天线选择具有最大信道增益的信道系数的相位信息生成该发射天线的模拟预编码系数和移相值，并由所有已选信道系数对应的收发天线序号建立每一射频链路与对应发射天线的连接关系，生成相应的虚拟子阵列，可获得更高的模拟预编码增益，并最终显著提升系统的整体混合预编码增益和频谱效率。
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1a是通用的大规模MIMO模数混合预编码器全连接结构示意图
图1b是通用的大规模MIMO模数混合预编码器部分连接结构示意图
图2是本发明部分连接结构大规模MIMO混合预编码中基于虚拟子阵列的模拟预编码器的结构示意图。
图3是在单用户终端情形中独立Rayleigh衰落信道下本发明和已有方法的频谱效率与信噪比之间关系的仿真示意图。
图4是在多用户终端情形中独立Rayleigh衰落信道下本发明和已有方法的频谱效率与信噪比之间关系的仿真示意图。
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。
实施例一
本实施例公开了大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码方法，所述模拟预编码方法包括：
获取NRF个基带数据流，并将NRF个基带数据流通过NRF个射频链路输入到模拟预编码器中做模拟预编码，获得NTX个发射天线信号；
将获得的NTX个发射天线信号通过NTX个发射天线分别发送；
模拟预编码为：NRF个维基带数据向量x通过y＝FRFx做模拟预编码，获得NTX维向量y，所述NTX维向量y包含NTX路信号，且由NTX路信号通过NTX个发射天线分别发送，NRF≤NTX，FRF为模拟预编码矩阵。
模拟预编码器包括虚拟子阵列生成器与移相器；虚拟子阵列生成器通过逐元最大化信道增益准则构建每一射频链路对应的虚拟子阵列，并将NRF个射频链路分别与相应的发射天线连接；移相器根据逐元最大化信道增益准则调整发射天线的相位。
Figure BDA0002848609790000061
算符
Figure BDA0002848609790000062
表示对NRF/K向上取整，NRF为射频链路数，对所获得的Q的值分为q＝1,2,...,Q-1与q＝Q分别计算优化的模拟预编码向量：
当q＝1,2,...,Q-1时：
nTX＝(q-1)KM+1，(q-1)KM+2，...，(q-1)KM+KM
查找信道矩阵H的第nTX列所有K个信道系数
Figure BDA0002848609790000063
中具有最大模的系数，将其序号记为
Figure BDA0002848609790000064
提取模拟预编码矩阵FRF的第
Figure BDA0002848609790000065
个元素的相位信息
Figure BDA0002848609790000066
得到模拟预编码矩阵表达式为：
Figure BDA0002848609790000067
Figure BDA0002848609790000068
为天线nTX的移相值，nTX发射天线，同时删除被选中M次的接收天线对应的信道系数。
当q＝Q时：
nTX＝(Q-1)KM+1，(Q-1)KM+2，…，NTX
查找信道矩阵H的第nTX列的前NRF-(Q-1)K个信道系数
Figure BDA0002848609790000069
中具有最大模的系数，将其序号记为
Figure BDA00028486097900000610
提取模拟预编码矩阵FRF的第
Figure BDA00028486097900000611
个元素的相位信息
Figure BDA00028486097900000612
得到模拟预编码矩阵表达式为：
Figure BDA00028486097900000613
Figure BDA00028486097900000614
为天线nTX的移相值，nTX发射天线，同时删除被选中M次的接收天线对应的信道系数。模拟预编码矩阵FRF中，FRF为稀疏矩阵，且第nTX行仅有一个非零元素，其行维和列维分别对应于发射天线序号nTX和该天线连接的射频链路序号，射频链路序号具体数值取决于虚拟子阵列构建结果，第n列有M个非零元素，非零元素的行维对应于射频链路n连接的M个发射天线的序号，这M个发射天线的具体序号取决于虚拟子阵列构建结果，第n列的M个非零元素构成了射频链路n对应的模拟预编码向量fn，其中，非零元素的模相等，模拟预编码矩阵FRF中，每一列的Frobenius范数都为1
下行信道矩阵H是通过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端反馈获取的，阶数为K×NTX阶，其表达式为：
Figure BDA0002848609790000071
Figure BDA0002848609790000072
表示基站第nTX个天线到第k个接收天线的信道系数，
Figure BDA0002848609790000073
和
Figure BDA0002848609790000074
分别表示
Figure BDA0002848609790000075
的幅度和相位。
模拟预编码向量fn的表达式为：
Figure BDA0002848609790000076
n为第n个射频链路，算符“H”表示向量
Figure BDA0002848609790000077
的共轭转置，A为发射天线的序号集合且A＝{1,2,...,N}，U为接收天线的序号集合且U={1，2，...，K}，M为虚拟子阵列的天线数。
虚拟子阵列增益ηn表达式为：
Figure BDA0002848609790000078
Figure BDA0002848609790000079
表示由下行信道矩阵H第(k,m1)、(k,m2)、……、(k,mM)元素构成的信道向量。
实施例二
本实施例在实施例一的基础上，公开了大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码系统，如图2所示，系统包括数字预编码器与模拟预编码器；数字预编码器用于对原始数据流做数字预编码获得基带数据流；模拟预编码器采用实施例一种的大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码方法对基带数据流做模拟预编码，并将经过模拟预编码之后得到的发射天线的信号，通过发射天线发送出去。
实施例三
本实施例在实施例一与实施例二的基础上，公开了一种将实施例一以及实施例二中的方法运用到单用户终端情形，数字预编码矩阵采用奇异值分解求解，
此时，参数K对应于单用户接收机天线数，发射的独立数据流数NS满足NS≤K。根据本发明得到模拟预编码矩阵FRF之后，可计算等效信道矩阵G＝HFRF。再对G实施奇异值分解，即
G＝UΣVH (1)
上式中，U、Σ和V分别表示G的左奇异矩阵、奇异值矩阵和右奇异矩阵。取V的前NS列，即得数字预编码矩阵FBB＝V(1:NS)。可验证总的预编码矩阵F＝FRFFBB各列的Frobenius范数都为1，即总的预编码处理不改变信号功率。
将输入模数混合预编码器的多路数据流用向量表示为
Figure BDA0002848609790000081
在求解出FRF和FBB之后，数字预编码器和模拟预编码器的输入输出关系可表示为
Figure BDA0002848609790000082
最终的输出信号y是一个NTX维列向量，分别由NTX个天线发送。
参阅图3。通过仿真比较了基于文献[Ming Zhu,et al.Low-ComplexityPartially-Connected Hybrid Precoding for Massive MIMO Systems[C].Proceedingsof IEEE Wireless Communications&Networking Conference(WCNC),2020:1-6.]方法和本发明方法的整体混合预编码的频谱效率性能。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，接收天线数K＝16，独立数据流数NS＝12,16；基站能获取准确的下行信道矩阵H。从中看出，与已有方法相比，在所示信噪比区域，无论NS＝12＜K还是NS＝16＝K，所提方法均能显著提升系统的频谱效率。
实施例四
本实施例基于实施例一与实施例二的基础上，公开了将实施例一的方法运用到多个单天线用户终端情形，数字预编码矩阵采用迫零求解中：
此时，参数K对应于用户终端总数或接收天线总数，发射的独立数据流数NS满足NS＝K。
求等效信道矩阵G的伪逆矩阵W
W＝GH(GGH)-1 (3)
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 (4)
可验证总的预编码矩阵F＝FRFFBB各列的Frobenius范数都为1，即总的预编码处理不改变信号功率。
将输入模数混合预编码器的多路数据流用向量表示为
Figure BDA0002848609790000091
在求解出FRF和FBB之后，数字预编码器和模拟预编码器的输入输出关系可表示为
Figure BDA0002848609790000092
最终的输出信号y是一个NTX维列向量，分别由NTX个天线发送。
参阅图4。通过仿真比较了基于文献[张雷,等.大规模MIMO系统模数混合预编码方法[P].中国:ZL201611057987.6,2017-08-15.]方法和本发明方法的整体混合预编码的频谱效率性能。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，用户终端数(即接收天线总数)K＝12,16，独立数据流数NS＝K；基站能获取准确的下行信道矩阵H。从中看出，与已有方法相比，在所示信噪比区域，所提方法均能显著提升系统的频谱效率，且改善幅度比单用户情形更大。
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 (5)

1.大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码方法，其特征在于，所述模拟预编码方法包括：
获取NRF个基带数据流，并将NRF个基带数据流通过NRF个射频链路输入到模拟预编码器中做模拟预编码，获得NTX个发射天线信号；
将获得的NTX个发射天线信号通过NTX个发射天线分别发送；
所述模拟预编码为：NRF维基带数据向量通过y＝FRFx做模拟预编码，获得NTX维向量y，所述NTX维向量y包含NTX路信号，且由NTX路信号通过NTX个发射天线分别发送，NRF≤NTX，FRF为模拟预编码矩阵；
所述模拟预编码器包括虚拟子阵列生成器与移相器；
所述虚拟子阵列生成器通过逐元最大化信道增益准则构建每一射频链路对应的虚拟子阵列，并将NRF个射频链路分别与相应的发射天线连接；
所述移相器根据逐元最大化信道增益准则调整发射天线的相位；
所述逐元最大化信道增益准则为：
通过查找下行信道矩阵H的第nTX列所有K个信道系数中模最大的系数，以优化模拟预编码矩阵FRF，并得到较大的虚拟子阵列增益ηn；
所述模拟预编码矩阵FRF的计算过程为：
Figure FDA0003209918030000011
算符
Figure FDA0003209918030000012
表示对NRF/K向上取整，
当q＝1，2，3，...，Q-1时，
Figure FDA0003209918030000013
nTX＝(q-1)KM+1，(q-1)KM+2，...，(q-1)KM+KM
nTX发射天线，
Figure FDA0003209918030000018
为下行信道矩阵H的第nTX列所有K个信道系数
Figure FDA0003209918030000014
中具有最大模的系数的行序号，
Figure FDA0003209918030000015
为模拟预编码矩阵FRF的第
Figure FDA0003209918030000016
个元素的相位；同时删除被选中M次的接收天线对应的信道系数；
当q＝Q时，
Figure FDA0003209918030000017
其中，nTX＝(Q-1)KM+1，(Q-1)KM+2，…，NTX
nTX发射天线，
Figure FDA0003209918030000021
为下行信道矩阵H的第nTX列的前NRF-(Q-1)K个信道系数
Figure FDA0003209918030000022
中具有最大模的系数的行序号，
Figure FDA0003209918030000023
为模拟预编码矩阵FRF的第
Figure FDA0003209918030000024
个元素的相位，同时删除被选中M次的接收天线对应的信道系数；
所述虚拟子阵列增益ηn表达式为：
Figure FDA0003209918030000025
Figure FDA0003209918030000026
表示由下行信道矩阵H第(k，m1)、(k，m2)、……、(k，mM)元素构成的信道向量，fn为模拟预编码向量；
所述模拟预编码向量fn的表达式为：
Figure FDA0003209918030000027
k∈U，m1，m2，…，mM∈A
n为第n个射频链路，算符“H”表示向量
Figure FDA0003209918030000028
的共轭转置，A为发射天线的序号集合且A＝{1，2，...，N}，U为接收天线的序号集合且U＝{1，2，...，K}，M为虚拟子阵列的天线数。
2.根据权利要求1所述的大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码方法，其特征在于，所述下行信道矩阵H为：
Figure FDA0003209918030000029
Figure FDA00032099180300000210
表示基站第nTX个天线到第k个接收天线的信道系数，
Figure FDA00032099180300000211
和
Figure FDA00032099180300000212
分别表示
Figure FDA00032099180300000213
的幅度和相位。
3.根据权利要求1所述的大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码方法，其特征在于，所述模拟预编码矩阵FRF中，每一列的Frobenius范数都为1。
4.根据权利要求1所述的大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码方法，其特征在于，所述模拟预编码矩阵FRF为块稀疏结构矩阵，且每一行仅有一个非零元素，每一列有M个非零元素且第n列中的M个非零元素构成了射频链路n对应的模拟预编码向量fn，M为信道系数，所述非零元素为模拟预编码系数。
5.大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码系统，其特征在于，所述系统包括数字预编码器与模拟预编码器；
所述数字预编码器用于对原始数据流做数字预编码获得基带数据流；
所述模拟预编码器采用如权利要求1-4中任一项所述的大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码方法对所述基带数据流做模拟预编码。
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