[发明专利]毫米波大规模MIMO中的一种混合预编码方法

说明书

本发明公开了一种毫米波大规模MIMO中的一种混合预编码方法。本发明具体为一种在基站端和用户端分别采用混合预编码和模拟合并的方案。在充分考虑信道特性的基础上，根据用户终端的天线阵列响应矢量独立地设计每个用户的模拟合并矩阵，并且以最大化有效信道增益为目标通过共轭转置获得基站处的模拟预编码矩阵。最后根据生成的有效信道矩阵，在基带部分设计低维的数字预编码矩阵，从而消除系统中噪声和用户之间干扰的影响。

技术领域

本发明属于信息与通信工程技术领域，涉及无线通信系统中的毫米波大规模MIMO技术，具体是毫米波大规模MIMO中的一种混合预编码方法。

背景技术

随着对系统容量和能量效率要求的提高，现有的传统频段带宽很难满足用户日渐增长的需求，因此拥有更高带宽的毫米波逐渐成为国内外学者研究的重点。然而，毫米波的波长较短，适合在发送端和接收端布置大量天线来补偿毫米波信道的路径损失，从而改善信道传输质量。毫米波和大规模多输入多输出(Multiple Input and Multiple Output，MIMO)技术的结合可以大幅度提升系统的数据率，因此被视为5G的新兴的技术之一。

毫米波信道下的预编码方案与低频下的预编码方案不同，由于毫米波大规模MIMO系统中基站的天线数较多，考虑成本和能耗等因素，在每个天线上安装单独且完整的射频(radio frequency，RF)链变得难以实现。针对这一问题，相对比较好的解决方案就是模拟和数字相结合的混合预编码方案，混合预编码器包含了一个低维的数字预编码器和一个高维的模拟预编码器，它们之间通过少量的RF链路连接，减小了系统的实现成本和能量消耗，同时又能够实现较好的系统性能。现有的混合预编码方案分为三种：部分连接混合预编码方案、全连接混合预编码方案和混合连接混合预编码方案。本发明采用的是全连接混合预编码方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种毫米波大规模MIMO中的一种混合预编码方法。具体为一种在基站端和用户端分别采用混合预编码和模拟合并的方案。在充分考虑信道特性的基础上，根据用户终端的天线阵列响应矢量独立地设计每个用户的模拟合并矩阵，并且以最大化有效信道增益为目标通过共轭转置获得基站处的模拟预编码矩阵。最后根据生成的有效信道矩阵，在基带部分设计低维的数字预编码矩阵，从而消除系统中噪声和用户之间干扰的影响。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：

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。当天线的阵列分布不同时，该表达式也不同，常见的天线阵列有均匀线性阵列和均匀平面阵列。本文采用均匀线性阵列，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