CN113271125B - 3d超大规模mimo系统宽覆盖预编码生成方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法及装置。本发明根据二维角度功率谱分离条件，首先基于流形上的投影梯度法生成两组满足一定约束条件的互补序列集，再基于梯度法生成一对元素恒模且非零元位置互补的序列，最后根据所设计的两组互补序列集和互补序列对构造宽覆盖预编码矩阵。本发明所公开方法同时满足等发射功率约束以及半酉约束，相对已有宽覆盖方案能够在保证同步性能的基础上大幅降低复杂度。

Description

3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信方法技术领域，特别是涉及地面无线通信与卫星无线通信中3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法及装置。

背景技术

通过在基站端配置大规模天线，大规模MIMO能够提供巨大的信道容量增益以及能量效率提升。大规模MIMO已经成为了5G移动通信的关键技术。对于无人机和物联网等新技术，大规模MIMO也能提供有效支持，能够提高无人机通信的可靠度和吞吐量，并且满足支撑物联网的大规模连接技术的需求。大规模MIMO对于卫星通信同样重要，目前在卫星通信系统的研究中也开始采用大规模天线配置。在大规模天线阵列中，均匀面阵天线由于尺寸合理，在地面无线通信系和卫星通信系统中都广泛应用。未来6G移动通信中，随着频谱效率和能量效率的进一步提升需求，配置超大规模面阵天线阵列的3D超大规模MIMO很有可能成为新的关键技术。另一方面，同步和控制信道信息传输在无线传输系统中起着重要的作用，是整个无线业务传输的前提，需建立在基站无法获取用户信道信息基础上。为确保同步与控制信息的有效传输，需要同步与控制信道信息的传输能够覆盖整个所服务的小区，让小区中任何方位的用户都能够获得可靠的同步与控制信息。综上，3D超大规模MIMO同步与控制信息传输方法在地面无线通信和卫星通信中都具有重要的应用前景。

近年来文献中针对大规模均匀面阵提出的全向预编码传输方法是一种高效的同步与控制信道信息传输方法。为了保证全向传输，考虑多个数据流，每个数据流对应一个预编码，所有数据流上的预编码合成一个全向预编码矩阵。在全向传输方法中需要考虑的约束有三个：全向约束、天线等功率约束以及整个预编码矩阵满足半酉约束。对于实际大规模MIMO系统，全向预编码传输又被进一步扩展为宽覆盖预编码传输方法以满足实际系统的具体覆盖要求。宽覆盖预编码设计方法基于优化理论，由于未来3D超大规模MIMO系统天线数量进一步的增加，宽覆盖预编码的设计的维度将大大增加。即使宽覆盖预编码设计是一种离线设计，但仍需要在合理的时间内完成设计，其计算复杂度仍十分重要，因此3D超大规模MIMO简化宽覆盖预编码设计方法变得更加重要。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法及装置，能够在确保同步性能的同时，进一步降低计算复杂度。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法，包括：

步骤S1、生成两组长度为M_z且互相关为零的互补序列集

和

每组序列集都满足序列之间相互正交并且相同位置元素模平方和为常数，同时每组序列集的角度功率谱目标函数均为a_z(u)，其中M_z为面阵天线阵列每一垂直列上的天线个数，r为传输数据流数；

步骤S2、生成一对长度为M_x的互补序列φ和

该互补序列对元素恒模并满足非零元位置互补，同时其角度功率谱之和的目标函数为a_x(v)，其中M_x为面阵天线阵列每一水平行上的天线个数；

步骤S3、根据步骤S1中生成的两组互补序列集以及步骤S2中生成的互补序列对，再基于

生成第i流上M_x×M_z宽覆盖预编码矩阵，其中上标T表示转置函数，

表示克罗内克积。

进一步的，所述预编码矩阵根据P＝[vec(P₁)，vec(P₂)，…，vec(P_r)]组成一个M_xM_z×r预编码矩阵，其中vec为向量化函数。

进一步的，所述宽覆盖预编码矩阵P满足以下约束：

a、可分离约束，表达式为：

其中，u，v分别是垂直方向和水平方向余弦，u(u，v)为空间舵矢量，a_z(u)表示为所述步骤S1中序列集的角度功率谱目标函数，a_x(v)表示为所述步骤S2中互补序列对度功率谱之和的目标函数；

b、等发射功率约束，表达式为：

其中，

为M_t维单位阵，diag(·)表示由矩阵对角元构成的对角阵；

c、半酉约束，表达式为：

其中，上标H表示共轭转置函数。

进一步的，在所述步骤S1中，所述生成两组长度为M_z且互相关为零的互补序列集

和

的方法具体包括：根据

由给定序列集{d₁，d₂，...，d_r}构造另一序列集{f₁，f₂，...，f_r}，其中r设置为偶数，上标

表示共轭负方向运算，

n表示向量的维度；

所述目标函数均a_z(u)的表达式，具体为：

其中，v_z(u)为垂直方向舵矢量。

进一步的，在所述步骤S2中，所述生成一对长度为M_x的互补序列φ和

的方法具体包括：令

其中，ρ_k，λ_l为待优化求解的变量，k，l＝1，2，...，M_x/2，序列对φ和

的角度功率谱和满足：

其中，S_φ＝|φ^Tv_x(v)|²，

v_x(v)为水平方向舵矢量。

本发明还提供一种3D超大规模MIMO系统的发送端装置，该装置包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述程序被加载至处理器时实现所述的3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法。

本发明的有益效果是：

本发明方法相比于现有的宽覆盖预编码方案，将M_t×r维预编码矩阵的设计简化为两组长度为r、向量维度为M_z的序列集和一对维度为M_x的互补序列的设计，能够在保证同步性能的基础上有效地降低计算复杂度。另外，本发明所公开宽覆盖预编码满足各天线功率相同以提高射频功率利用效率，并且各个数据流上的预编码矩阵相互正交以保证频谱利用率。

附图说明

图1为本发明的3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码矩阵生成方法流程示意图；

图2为系统配置侧面示意图；

图3为α_z取0.05时基于本发明方案的角度功率谱图；

图4为α_z取0.1时基于本发明方案的角度功率谱图；

图5为α_z取0.2时基于本发明方案的角度功率谱图；

图6为α_z取0.1时基于宽覆盖方案1的角度功率谱图；

图7为α_z取0.05基于本发明方案的扇区内及附近的接收功率图；

图8为α_z取0.1基于本发明方案的扇区内及附近的接收功率图；

图9为α_z取0.2基于本发明方案的扇区内及附近的接收功率图；

图10为α_z取0.1基于宽覆盖方案1的扇区内及附近的接收功率图；

图11为预编码不同设置下的漏检概率同步性能图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。

如图1所示，本发明实施例公开的一种3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码矩阵生成方法，包括：

根据预设的目标覆盖范围确定角度功率谱目标函数；

基于流形上的投影梯度法生成两组满足一定约束条件的互补序列集；

基于投影法生成一对元素恒模且非零元位置互补的序列；

根据所生成的互补序列集及互补序列生成宽覆盖预编码矩阵。

本发明方法主要适用于基站侧配备超大规模均匀面阵的MIMO系统。下面结合具体的通信系统实例对本发明涉及宽覆盖预编码矩阵设计方法的具体实现过程作详细说明，需要说明的是本发明方法不仅适用于下面示例所举的具体系统模型，也同样适用于其它配置的系统模型。

一、系统配置

考虑一基站侧配置超大规模均匀面阵的3D MIMO系统。基站侧配置的天线数为M_t＝M_zM_x，其中M_z是面阵天线阵列每一垂直列上的天线个数，M_x是面阵天线阵列每一水平行上的天线个数。令

为基站侧到自由空间中点P(ρ，θ，φ)的信道矩阵，其中ρ为基站侧到点P的距离，θ和φ分别是极角和方位角。该点上的接收信号可以表示为

y＝hPx+z (1)

公式(1)中，

为公共信道预编码矩阵，

为发送矢量，r为数据流数，z为均值为0方差为

的复高斯随机变量。

方便起见，将预编码矩阵P的每个列向量p_i变形为矩阵

此时P可以表示为

P＝[p₁ p₂…p_r]＝[vec(P₁)vec(P₂)…vec(P_r)] (2)

公式(2)中，vec为向量化函数。

二、宽覆盖预编码设计准则与约束条件

定义空间舵矢量：

公式(3)中，v_z(u)和v_x(v)分别为垂直方向舵矢量和水平方向舵矢量，具体为

公式组(4)中，

分别是垂直方向和水平方向余弦。

宽覆盖预编码的可分离约束、等发射功率约束、半酉约束可以分别表示为：

公式组(5)中，diag(·)表示由矩阵对角元构成的对角阵，a_x(u)和a_z(v)分别为垂直方向和水平方向角度功率谱目标函数。上述公式中第一个约束为宽覆盖波束约束，第二个约束为天线等功率约束，第三个约束为预编码为半酉矩阵。

当a_z(u)和a_x(v)等于常数时，宽覆盖预编码退化为全向预编码，文献中对于配置面阵的大规模MIMO全向预编码矩阵设计可满足需求。本发明将全向预编码设计结构进一步扩展至宽覆盖预编码设计，以简化宽覆盖预编码设计复杂度。

三、角度功率谱目标函数的设计

为保证宽覆盖预编码的覆盖范围，可以将目标函数a_z(u)和a_x(v)定义为升余弦函数，即：

公式(7)和公式(8)中，β设置为一个小值，可以通过调节α_z，α_x调整覆盖范围。例如，当水平方向扇区大小为120°时，即水平方向需要覆盖30°＜φ＜150°的范围，因此可以取

α_z则可以通过比较同步性能选取最合适的取值。

四、宽覆盖预编码设计方法

令

和

为两组长度为M_z且互相关为零的互补序列集，每组序列集都满足序列之间相互正交并且相同位置元素模平方和为常数，其中互相关定义为

进一步，

和

的角度功率谱为

令φ和

为一对互补序列φ和

其对元素恒模并满足非零元位置互补，并且有其角度功率和为

根据以下公式生成预编码矩阵

可以证明按照上述公式生成的预编码矩阵满足公式(5)中的三个约束条件。

为进一步阐述本发明所提宽覆盖预编码设计方法，下面进一步给出一个更加详细的实施例。具体可以分为以下几个步骤：

S1：首先给出互补序列集

和

的构造方法。

在给定其中一个序列集

的情况下，

可以按照以下方法构造：

令

其中r为偶数，上标

表示共轭负方向运算，

按照该方法构造的

和

满足互相关为零的约束。

进一步，给出序列集

的构造方法

公式(12)中，D＝[d₁，d₂，…，d_r]，上标*表示共轭函数。在以上约束条件下，互补序列集

和

都可以满足序列之间相互正交并且相同位置元素模平方和为常数。

进一步，针对上述条件给出一种流形优化求解方法获取矩阵D，表达式为：

公式(13)中，a_z，k为a_z(u)|u＝k/N_zM_z，e_k为第k个元素为1其他元素为0的列向量。

为N_zM_z维DFT矩阵。流形

和

分别为Oblique流形和Stiefel流形，具体为：

通过投影梯度法求解该流形优化问题，迭代过程为：

公式(15)中，上标d表示迭代次数，μ表示步长，

表示D在流形

上的投影，表达式为：

和

分别表示D在流形

和

上的投影，具体为：

表示欧拉梯度，

为：

S2：接着，给出互补序列φ和

的构造方法。令

序列对φ和

的角度功率谱和满足：

公式(20)中，S_φ＝|φ^Tv_x(v)|²，

该方法构造的互补序列φ和

满足各元素恒模并且非零元位置互补。

进一步，针对上述条件给出一种优化求解方法获取序列对φ和

表达式为：

公式组(21)中，a_x，k为a_x(v)|v＝k/N_xM_x，

使用梯度法求解该问题，迭代过程为

其中，

S3：最后，按照公式(9)的方法构造预编码矩阵。

五、实施效果

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面给出具体系统配置下的本实施例中宽覆盖预编码设计方法结果。

首先介绍地面无线通信超大规模MIMO宽覆盖预编码的一个设计案例。考虑一个配备超大规模均匀面阵的MIMO系统，基站侧配备有M_z＝64，M_x＝32的UPA天线，发射流数设置为r＝2。图2为系统配置侧面示意图，其中基站UPA天线放置于C点，基站和用户高度分别为25m和1.5m，基站与用户间高度差为h＝23.5m，用户分布在半径R＝200m的120°扇区内，基站侧天线平面下倾角设置为α＝arctan(2h/R)。

针对角度功率目标函数即式(6)(7)的参数，在该场景中，β＝0.025时有较好的性能，为保证扇区覆盖范围取

α_z分别取0.05，0.1，0.2，并对比不同取值下的覆盖范围及其同步性能。同时，也对比了基于文献“Broad coverage precoderdesign for 3D massive MIMO system synchronization，IEEE Trans.Commun.，vol.68，no.7，pp.4233-4246，2020.”方法(下文称为宽覆盖方案1)生成的预编码矩阵的宽覆盖性能和同步性能。为了形成对比，两种宽覆盖方案目标函数均为式(6)(7)中的升余弦函数。

方便起见，定义虚拟方位角

使

则方位余弦可以对称地表示为

图3～5给出了基于本发明方案的角度功率谱图，其中α_z分别取0.05，0.1，0.2，图6分别给出了α_z取0.1时基于宽覆盖方案1的角度功率图。从图3～6可以看出，基于本发明方案和基于方案1获取的角度功率谱均可以很好地近似目标函数。

图7～9给出了基于本发明方案的扇区内及附近的接收功率图，其中α_z分别取0.05，0.1，0.2，图10分别给出了α_z取0.1时基于宽覆盖方案1的接收功率图。其中考虑了路损带来的影响。从图7～10可以看出，调节参数α_z可以控制垂直方向上的覆盖范围。

最后，图11给出了不同参数、方案下的同步性能。采用扇区内用户平均漏检概率作为指标，比较了以上四种设置以及全向预编码下的同步性能。其中对扇区均匀采样得到1565个用户样本，计算样本用户的平均漏检概率。从图11可以看出α_z取0.1时宽覆盖同步性能总体上达到最优，并且相对全向预编码来说，宽覆盖预编码通过将能量集中在目标扇区内，从而有效地提升了扇区内用户的同步性能。同时，本发明方案的同步性能基本上与宽覆盖方案1性能持平，但是相对于宽覆盖方案1对M_t×r维预编码矩阵的设计，本发明方案仅需设计两组大小为r、序列维度为M_z的序列集和一对维度为M_x的互补序列，因此在很大程度上降低了计算复杂度。

基于相同的发明构思，本发明实施例提供了一种3D超大规模MIMO系统的发送端装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，该程序被加载至处理器时实现上述的宽覆盖预编码矩阵生成方法。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法，其特征在于，包括：

步骤S1、生成两组长度为M_z且互相关为零的互补序列集

和

每组序列集都满足序列之间相互正交并且相同位置元素模平方和为常数，同时每组序列集的角度功率谱目标函数均为a_z(u)，其中M_z为面阵天线阵列每一垂直列上的天线个数，r为传输数据流数；

步骤S2、生成一对长度为M_x的互补序列φ和

该互补序列对元素恒模并满足非零元位置互补，同时其角度功率谱之和的目标函数为a_x(υ)，其中M_x为面阵天线阵列每一水平行上的天线个数；

步骤S3、根据步骤S1中生成的两组互补序列集以及步骤S2中生成的互补序列对，再基于

生成第i流上M_x×M_z宽覆盖预编码矩阵，其中上标T表示转置函数，

表示克罗内克积；

所述宽覆盖预编码矩阵P满足以下约束：

a、可分离约束，表达式为：

其中，u，υ分别是垂直方向和水平方向余弦，u(u，υ)为空间舵矢量，a_z(u)表示为所述步骤S1中序列集的角度功率谱目标函数，a_x(υ)表示为所述步骤S2中互补序列对度功率谱之和的目标函数；

b、等发射功率约束，表达式为：

其中，

为M_t维单位阵，diag(·)表示由矩阵对角元构成的对角阵；

c、半酉约束，表达式为：

其中，上标H表示共轭转置函数；

其中，将目标函数a_z(u)和a_x(υ)定义为升余弦函数，即：

2.根据权利要求1所述的3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法，其特征在于，所述预编码矩阵根据P＝[υec(P₁)，υec(P₂)，…，υec(P_r)]组成一个M_xM_z×r预编码矩阵，其中υec为向量化函数。

3.根据权利要求1所述的3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述生成两组长度为M_z且互相关为零的互补序列集

和

的方法具体包括：根据

由给定序列集{d₁，d₂，...，d_r}构造另一序列集{f₁，f₂，...，f_r}，其中r设置为偶数，上标

表示共轭负方向运算，

n表示向量的维度，上标*表示共轭函数；

所述目标函数a_z(u)的表达式，具体为：

其中，v_z(u)为垂直方向舵矢量。

4.根据权利要求1所述的3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述生成一对长度为M_x的互补序列φ和

的方法具体包括：令

其中，ρ_k，λ_l均表示为待优化求解的变量，k，l＝1，2，...，M_x/2，序列对φ和

的角度功率谱和满足：

其中，

v_x(υ)为水平方向舵矢量。

5.3D超大规模MIMO系统的发送端装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述程序被加载至处理器时实现根据权利要求1-4任一项所述的3D超大规模MIMO系统宽覆盖预编码生成方法。

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