[发明专利]毫米波大规模MIMO中的一种混合预编码方法

权利要求书

1.毫米波大规模MIMO中的一种混合预编码方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1.确定系统模型并进行问题描述；

1-1.毫米波大规模MIMO系统信道模型

在毫米波大规模MIMO系统中，K个数据流通过基站发射到K个用户，每个用户终端配置了N_r根天线；基站端配置了N_t根天线和N_RF个RF链路，且满足K＝N_RF；毫米波大规模MIMO系统信道采用几何的Saleh-Valenzuela模型：

其中，N_t为基站发送的天线数，N_r为用户接收的天线数，L为毫米波散射波束，δ_i表示第i条散射波束路径的增益，θ_i∈[0,2π]、分别表示第i条路径的离开角和到达角，和α_BS(θ_i)分别表示基站和用户的天线阵列响应矢量,表示向量α_BS(θ_i)的共轭转置；采用均匀线性阵列，和α_BS(θ_i)可表示为：

其中，λ表示电磁波波长，d表示天线之间的距离；

1-2.毫米波大规模MIMO系统模型

在毫米波大规模MIMO系统传输过程中，发射到K个用户的数据流经过混合预编码器处理后，基站端的发射信号x可以表示为：

x＝F_RFF_BBs (4)

其中，s∈C^K×1为发送信号,且满足其中P表示发射总功率；为模拟预编码矩阵，其形式为F_RF＝[f₁,f₂,…,f_K],其中且其中表示F_RF的第(i,j)个元素的幅度；F_BB∈C^K×K为数字预编码矩阵，其形式为其中F_RF与F_BB应满足功率控制，即因此，第k个用户终端的接受信号表示为：

其中，表示基站与第k个用户终端之间的信道矩阵，n_k～CN(0,σ²I_K)表示均值为0，方差为σ²的信道噪声；

1-3.毫米波大规模MIMO系统目标函数

在接收端，每个用户配置一个RF链路和一个模拟合并器；第k个用户终端的接受信号y_k经过模拟合并器处理后，接收端最终恢复的信号可以表示为：

其中，表示第k个用户终端的模拟合并矢量，且其中w_k(m)表示w_k的第m个元素的幅度；

于是，第k个用户的信干噪比表示为：

进一步，系统的和速率表示为：

预编码设计问题等效成如下问题：

步骤2.目标函数的转化以及混合预编码方案的提出

2-1.转化目标函数

将混合预编码的设计分为两级，第一级为设计模拟部分，第二级则根据模拟部分对数字部分进行设计，设计模拟部分

首先定义W_RF＝diag[w₁,w₂,…,w_K]以及则有效模拟信道矩阵可以表示为：

H_eff的第k个对角线元素表示为：

其中，H_eff的第k个对角线元素代表第k个用户的有效信道增益，而非对角线的元素代表模拟多流干扰；考虑最大化每个用户的有效信道增益为目标函数，因此公式(9)问题转换为：

2-2.低复杂度的混合预编码方案

设计合并器和预编码器；对于第k个用户，首先忽略来自其它用户的干扰，设计第k个用户的模拟预编码矢量f_k和模拟合并矢量w_k，根据用户终端的天线阵列响应矢量来设计模拟合并矢量w_k；对于用户k，首先估计出它所有信道的路径增益，并且找出最大的路径增益所对应的到达角然后设置模拟合并矢量为得到w_k之后定义如下：

注意到因此为了最大化有效信道增益H_eff(k,k)，设计f_k为t_k的共轭转置，即由于f_k有恒模性质，因此f_k表示为：

其中，ω_m是向量t_k中第m个元素的相位；

对于全部用户K，重复步骤步骤2-2，最终得到W_RF和F_RF；

数字部分设计根据有效信道矩阵，因此数字预编码表示为：

在式(15)中，f_MMSE表示归一化因子，作用是确保模拟预编码和数字预编码满足功率归一化约束条件，即f_MMSE表示为：