[发明专利]一种基于毫米波大规模MIMO天线系统的重叠子连接混合预编码装置

说明书

本发明公开了一种基于低解析度移相器的重叠子连接混合预编码装置，包括：模型建立模块、目标函数建立模块和混合预编码模块，通过将最佳化问题分成一些子问题并寻找局部最佳解，接着依据每个局部最佳解再联合得出所要求问题的最佳解，有效降低了计算的复杂度，而且重叠子连接架构作为性能和成本的折中，既能保证较高的频谱效率，又能保证较高的能量效率，相比较于完全连接架构，本发明可以提高天线配置的自由度，在传输性能以及能量效率之间达到更好的平衡。

技术领域

本发明涉及多输入多输出天线技术领域，特别是涉及一种基于毫米波大规模MIMO天线系统的重叠子连接混合预编码装置。

背景技术

在大规模MIMO天线系统架构下，传统的全数字预编码器对信号进行空域预处理，能减少数据流或用户之间的干扰，从在相同接收检测性能的前提下，能够降低接收机处理的复杂度。但是，在毫米波大规模MIMO系统中，由于基站天线数量成百上千，而且占用的带宽更大，所以无论从设备复杂度、成本，还是功耗和散热角度考虑，全数字的预编码技术都不再适用。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两种：部分连接混合预编码架构、全连接混合预编码架构。

混合预编码方案要解决的问题就是如何设计数字预编码和模拟预编码，使得系统的性能更接近全数字预编码。基于全连接的混合预编码系统性能可接近全数字预编码性能，但是全连接混合架构中，每条RF链都需要连接到所有发射天线阵列上，由此会导致很大的硬件成本及功率消耗，所以在实际应用中具有局限性。而部分连接混合架构中，由于阵列增益下降，故在性能上稍差于全连接系统架构，但是部分连接架构中移相器的数量减少，系统能耗和硬件复杂度比起全连接架构明显降低。目前混合预编码算法多是基于全连接移相器网络架构，这使得系统硬件成本、功耗和复杂度相比于经典的纯数字预编码明显降低，但在实际应用中仍然具有很大的局限性。此外，基于部分连接的混合架构的预编码算法的研究目前相对较少，且大多数工作假设单天线用户或仅模拟组合用于用户的多个天线，并且由于硬件成本和功率消耗的限制，每个用户仅配备一条射频链。在降低硬件成本和系统功耗下，如何设计性能最优的毫米波大规模混合预编码优化方案，仍成为毫米波大规模MIMO系统需要解决的问题。为此需要降低硬件成本、功耗和复杂度，在保证系统能量效率性能最优的情况下，设计复杂度低、硬件成本低和功耗低的有效的混合预编码方案，更好地实现系统能量效率性能最优方案还有待深入挖掘。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种基于毫米波大规模MIMO天线系统的重叠子连接混合预编码装置，能够在硬件复杂度、高频谱效率和高能量效率等方面实现平衡。

本发明的技术方案为:

一种基于毫米波大规模MIMO天线系统的重叠子连接混合预编码装置，包括：

模型建立模块，用于建立毫米波大规模MIMO天线系统模型，采用扩展的Saleh-Valenzuela信道模型构造信道矩阵，在毫米波大规模MIMO天线系统中，基站配置N_t根发射天线与N_t^RF根射频链路，传输K个数据流，并同时服务接收端共K个用户设备UE，每个UE都同样配置N_r根接收天线与一根射频链路，且只接收一个数据流，N_r^RF表示所有用户的射频链路总数量，系统必须满足

基站的发射信号x表示为：

其中，发送符号向量s为一组随机数，其元素之间相互独立，并满足零平均值、单位能量，且而P为总发射功率，F_RF为模拟射频预编码矩阵，其形式为F_BB为数字预编码矩阵，其形式为F_RF与F_BB应满足功率控制，即