[发明专利]大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法

说明书

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法，其中模拟预编码的设计基于等增益传输，通过将基带等效信道矩阵的主对角线元素相位置零来获得最大的天线阵列增益，以降低发信机的总能耗和复杂度；数字预编码矩阵的设计基于标准正交化与奇异值分解，通过把期望用户映射到其它用户零空间的方式来完全消除用户之间的干扰，并获得最大的频谱效率。数值结果显示，在配备少量射频链路时，本发明的混合预编码方法的性能接近于需要配备与天线相同数量射频链路的全数字预编码方案；能以较低的实现复杂度获得较高的频谱效率。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种大规模MIMO系统基于标准正交化的混合预编码方法。

背景技术

大规模多输入多输出(Massive MIMO)系统通过为基站配置大规模天线阵列，可深度发掘空间自由度，使其能够利用同一时频资源服务于多个用户，被看作是第5代移动通信(5G)最主要的物理层关键技术之一。对于Massive MIMO系统而言，由于能量消耗与系统成本的限制，预编码设计显得尤为重要。在传统MIMO系统中，由于天线数较少，配置与天线相同数量的射频(RF)链路不会带来很高的实现复杂度、能耗和成本，因此通常采用全数字技术在基带对信号进行预处理，以便消除信号间的干扰。但是Massive MIMO系统的天线数目很多，若配备与天线相同数量的RF链路，则会产生高额的费用与功耗，因此全数字技术并不适用。

众所周知，模拟预编码利用模拟移相器来控制信号的相位，不需要系统配备与天线相同数目的RF链路，具有实现成本低、能量消耗小等优势，但其性能劣于数字技术。因此为了在经济、开销以及复杂度之间寻求平衡，很多学者提出了混合预编码技术，即在Massive MIMO系统中综合利用基带的数字预编码与射频的模拟预编码，其中数字技术用于保证传输的性能，而模拟技术用来降低收发机的总能耗和复杂度。

考虑Massive MIMO下行链路传输，基站作为发送端配备大规模天线阵列，假定具有N_BS根发射天线和M_BS个RF链路(通常情况下RF链路包括数模转换、混频器、功率放大器等)，接收端共有K个用户，每个用户终端配备N_MS根接收天线以及相同数量的RF链路，且每个用户待传输的数据流数为N_S，也就是说，基站端要发送并处理KN_S个数据流。为了保证通信的有效性，要求RF链路数目不少于数据流数，天线数目不少于RF链路数，即在基站端必须满足KN_S≤M_BS≤N_BS，在接收端满足N_S≤N_MS。

根据上述模型，发送信号首先经过一个M_BS×KN_S的数字预编码器B处理，然后经过M_BS个射频链路，接着一个N_BS×M_BS的模拟预编码器F。其中，模拟预编码器由模拟移相器网络实现。值得注意的是，数字预编码器B既可以改变信号的幅度，又可以改变信号的相位。但是模拟预编码器F只可以改变信号的相位，不能改变信号的幅度。由于模拟预编码矩阵F受到恒定模值的限制，故把模拟预编码器矩阵F中的元素进行归一化，使其模值满足其中F(i,j)代表矩阵F的第i行第j列个元素。同时，为了满足发射功率约束，必须有

假设信道模型为窄带平坦衰落信道，那么第k个用户的接收信号可表示为：

y_k＝H_kFBs+n_k,k＝1,2,...，K；