[發明專利]大規模MIMO系統模數混合預編碼方法

有效

• 申請號: 201611057987.6
• 申請日: 2016-11-27
• 公開（公告）號: CN107046434B
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 張雷;周曉鋒;代紅
• 申請（專利權）人: 西南電子技術研究所（中國電子科技集團公司第十研究所）
• 主分類號: H04B7/0456
• 分類號: H04B7/0456;H04B7/0413
• 代理公司: 成飛(集團)公司專利中心 51121
• 代理人: 郭純武

本發明公開了一種大規模MIMO系統的模數混合預編碼方法，與已有全數字預編碼方法相比，利用本發明能以較小頻譜效率損失換取射頻鏈路數量和處理復雜度的大幅降低，顯著提升大規模MIMO系統的功率效率。本發明通過下述技術方案予以實現：首先，基站通過上下行鏈路互易性或用戶端反饋獲取該基站到K個單天線用戶的下行信道矩陣H，并將K路獨立數據流輸入大規模MIMO模數混合預編碼器；接著，大規模MIMO模數混合預編碼器根據信道矩陣H求出模擬射頻預編碼矩陣F_RF，根據H和已求出的F_RF計算出數字基帶預編碼矩陣F_BB，根據求解出的F_RF和F_BB對輸入其中的K路數據流進行模數混合預編碼，輸出一個分別由N_t個天線發送的N_t維列向量信號x。

技術領域

本發明屬于無線通信技術領域，特別涉及一種大規模MIMO系統中低成本和低復雜度的模數混合預編碼方法。

背景技術

在現代信息社會中，隨著圖像、視頻等高質量多媒體業務的蓬勃發展，移動通信系統需要提供更高的傳輸速率和可靠性。在無線頻譜資源日趨緊張、“綠色通信”觀念日益深入人心的條件下，研究人員始終在不懈探索具有高頻譜效率和功率效率的無線傳輸技術。多入多出MIMO(亦稱為多天線)技術通過在通信鏈路的收發兩端設置多個天線而充分利用空間資源，可提供分集增益以提升系統的可靠性，提供復用增益以增加系統的頻譜效率，提供陣列增益以提高系統的功率效率，近20年來一直是無線通信領域研發的主流技術之一。目前， MIMO技術已被3GPP的LTE/LTE-Advanced、IEEE的WiMAX等第四代移動通信系統(4G)標準采納。但是，現有4G系統基站配置天線的數目較少(一般不超過8)，MIMO性能增益依然有限。

針對傳統MIMO技術的上述不足，美國貝爾實驗室的Marzetta于2010年提出了大規模MIMO技術。在大規模MIMO系統中，基站配置數十至數百個天線(較傳統MIMO系統天線數增加1～2個數量級)，而終端只需配置單天線?；境浞掷孟到y的空間自由度，在同一時頻資源服務多個終端。研究表明：系統吞吐量僅受限于其它小區中采用相同導頻序列的用戶的干擾(即導頻污染)，而小尺度信道衰落、小區內干擾和噪聲的影響都可忽略。大規模MIMO的這種良好特性使其能極大提升系統頻譜效率和功率效率，也是它成為第五代移動通信系統(5G)關鍵候選技術之一的重要原因。

理論上，為了實現對多徑信道的探測與分離，并實現最優系統性能，傳統MIMO和大規模MIMO需要采用全數字預編碼(precoding)。在基帶進行數字化處理，需要天線陣列中每個陣元都具有獨立的射頻鏈路，它包含天線輻射陣元、射頻放大器、上下變頻器及數模/模數轉換器等。考慮到大規模MIMO陣列擁有大量陣元，系統的復雜度、成本和功耗相對于傳統MIMO陣列會急劇上升，這在很大程度上限制了大規模MIMO技術的應用。因此，探索和研究射頻鏈路數少于基站天線數的預編碼方案更加符合實際。

為了解決上述問題，研究人員提出了新型的模數混合預編碼方案。模數混合預編碼的基本思想是將傳統的全數字預編碼分解為兩個部分的級聯：數字基帶低維度預編碼(通過少量射頻鏈路實現)以消除用戶間干擾，模擬射頻高維度預編碼(通過大量模擬移相器實現)以增加天線陣列增益。與全數字預編碼相比，模數混合預編碼可以較小的性能損失達到大幅降低射頻鏈路數量和處理復雜度的目的，從而提升系統的功率效率。

目前，大部分模數混合預編碼都是針對全連接結構設計的。在圖5( a) 所示的全連接結構中，每個射頻鏈路通過移相器與所有天線相連，故所需移相器數量等于射頻鏈路數與天線數之積。當天線數非常大時，所需移相器將達到數百甚至上千，這會導致很高的能耗和處理復雜度。因此，文獻6提出了圖5( b) 所示的部分連接結構。在部分連接結構中，每個射頻鏈路僅與某個天線子陣列中的所有天線相連，故所需移相器數量等于天線數，而與射頻鏈路數無關。因此，部分連接結構能提供比全連接結構更高的功率效率和更低的處理復雜度。圖1給出了通用的大規模MIMO模數混合預編碼器的全連接結構和部分連接結構示意。