[发明专利]毫米波大规模MIMO-OFDM系统中多用户混合波束赋形算法和实现装置

说明书

本发明公开了一种毫米波大规模MIMO‑OFDM系统中多用户混合波束赋形的算法及实现装置，用于实现大规模MIMO‑OFDM系统中，针对多用户的混合波束赋形设计。该算法具体分为三步，第一步根据Jensen不等式得到所有子载波下基站与用户射频链路增益之和的下限，并根据该下限的最大化设计公共的模拟编码和合并矩阵；第二步，在公共模拟编码和合并矩阵已知的情况下，根据信漏噪比最大化得到基站端所有子载波对应的数字编码矩阵；第三步，根据MMSE准则设计用户端的数字合并矩阵。该算法在保证系统频谱效率的同时，有效地降低了不同子载波下用户之间的干扰，并且该算法在低信噪比的情况下的性能更优。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及毫米波大规模MIMO-OFDM系统中混合波束赋形算法以及对应的实现装置。

背景技术

由于毫米波拥有丰富的频谱资源，和非常高的传输速率，使得毫米波通信已经成为最具潜力的通信技术之一。但毫米波易被空气吸收，导致路径损耗非常严重，因此需要波束赋形技术来提高传输质量和系统容量。而传统的数字波束赋形技术需要的硬件开销非常大，使得大规模天线系统无法承受数字波束赋形技术的复杂度。近年来，通过结合数字波束赋形技术和模拟波束赋形技术而成的混合波束赋形技术，大大降低了波束赋形技术的硬件开销，同时使性能基本与数字波束赋形技术持平，成为了毫米波通信的关键技术之一。

目前的混合波束赋形技术大多使用单用户或多用户单载波技术，即每个用户配备单个子载波，没有充分利用毫米波的丰富的频谱资源。为了提高频谱利用率，进一步提高系统容量，我们提出了基于信漏噪比的多用户MIMO-OFDM混合波束赋形算法和实现装置。

发明内容

本发明提出了一种毫米波大规模MIMO-OFDM系统中基于信道矩阵主分量和信漏噪比的多用户混合波束赋形算法及实现装置，该算法在实现过程中，根据信道矩阵的主分量来设计模拟编码器和编码器，从而有效的保证了基站与用户之间射频增益的最大化；同时，该算法根据信漏噪比最大化的准则来设计数字编码器，有效的降低了用户信号之间的干扰，在保证系统频谱效率的同时降低了系统的中断概率。

具体实施方式

步骤1：系统模型

如图1，其中F_B[n]和F_R分别表示基站端子载波n对应的数字编码器和模拟编码器，发送给每个用户的数据流数为N_s，基站对应的RF链路数目为N_R，天线数目为N_t，表示第k个用户对应的模拟编码器，表示第k个用户中子载波n对应的数字编码器。

用户k接收到子载波n对应信号可以表示为(1)：

其中是子载波n对应的等效基带信道，则用户k在子载波n对应的信漏噪比可以表示为(2)：

这里我们以信漏噪比为标准来设计基站和用户端不同子载波对应的混合编码矩阵，不同子载波对应的混合编码矩阵可以通过(3)获得

其中和分别表示满足常数模值约束和的复数集合。

步骤2：模拟编码器设计

基站端的模拟编码器可以进一步表示为从而模拟编码器可以通过(4)获得

其中vecdiag(·)表示矩阵对角元素的向量化。根据Jensen不等式对(4)进行简化，从而次优的模拟编码矩阵可以通过(5)获得