[發(fā)明專利]一種混合連接的混合波束賦形架構(gòu)和編碼器設計

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• 申請日: 2017-10-12
• 公開（公告）號: CN107947838A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發(fā)明（設計）人: 王亞峰;張笛笛;肖宇;李光輝
• 申請（專利權(quán)）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H04B7/0413
• 分類號: H04B7/0413;H04B7/06;H04L25/03
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領域，具體涉及大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中混合波束賦形架構(gòu)和編碼器算法的設計。

背景技術(shù)

為了滿足5G對系統(tǒng)容量需求的急劇增加，出現(xiàn)了一些新型的無線通信技術(shù)。但系統(tǒng)容量的提升主要包括下述三個方面：提高頻譜效率、增加小區(qū)數(shù)量、提升頻譜帶寬；與之對應的關(guān)鍵技術(shù)之一分別是大規(guī)模MIMO技術(shù)、超密集網(wǎng)絡(UDN)、毫米波(mmWave)通信。然而，上述不同技術(shù)并不是完全獨立的，它們之間相互促進、相互補充。例如，mmWave的波長較短使得在有限的物理空間布置大量的天線成為可能；大規(guī)模天線陣列通過波束賦形能夠提供更大的天線陣列增益，從而彌補mmWave在傳輸過程中的損耗。但是，上述技術(shù)在相互結(jié)合的過程中也產(chǎn)生了一些新的問題。對于mmWave大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)來說傳統(tǒng)的數(shù)字波束賦形技術(shù)需要射頻(RF)鏈路的數(shù)目與天線數(shù)目相同，這在具體的硬件實現(xiàn)上是不現(xiàn)實的。因此，傳統(tǒng)的數(shù)字波束賦形技術(shù)不再適用于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)。

混合波束賦形技術(shù)作為大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠有效的減少RF鏈路的數(shù)目，從而降低大規(guī)模天線陣列的實現(xiàn)復雜度。目前，關(guān)于大規(guī)模天線陣列的混合波束賦形架構(gòu)主要分為兩種：全連接架構(gòu)和部分連接架構(gòu)。對于全連接架構(gòu)來說每個RF鏈路連接到天線陣列的所有陣元上，需要消耗的移相器的數(shù)目較多，實現(xiàn)的復雜度較高，但系統(tǒng)模擬端的自由度較高，因此能夠提供更高的頻譜效率。對于部分連接架構(gòu)來說，每個RF鏈路連接到子陣列的全部陣元，需要消耗的移相器的數(shù)目較少，實現(xiàn)的復雜度較低，導致系統(tǒng)模擬端的自由度相對較低，因此系統(tǒng)的頻譜效率相對于全連接架構(gòu)來說會有所損失。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種混合連接的混合波束賦形架構(gòu)和編碼器設計算法及實現(xiàn)裝置，該架構(gòu)在降低系統(tǒng)硬件實現(xiàn)復雜度的同時能夠有效的保證系統(tǒng)的頻譜效率，同時有效的提高了系統(tǒng)的能量效率。

本發(fā)明的具體實現(xiàn)過程如下：

提出的混合連接的混合波束賦形架構(gòu)如圖1所示，在該架構(gòu)中每個子陣連接到多個RF鏈路上，同時每個RF鏈路連接到對應子陣的所有天線。

針對圖1的混合波束賦形架構(gòu)，混合編碼器的設計分為兩部分：基于連續(xù)干擾消除思想的非約束混合編碼器的設計；次優(yōu)化的約束混合編碼器設計。

第一部分，針對圖1混合連接HBF架構(gòu)，假定發(fā)送端天線為N_t，接送端天線數(shù)目為N_r，信道矩陣為系統(tǒng)總的RF鏈的數(shù)目為N_R＝SD，其中D表示子陣列數(shù)目，S表示每個子陣列連接的RF鏈的數(shù)目，數(shù)字端編碼為模擬端編碼為為對角陣，為發(fā)送的數(shù)據(jù)流，n為獨立高斯白噪聲滿足n∈CN(0,σ²)，發(fā)送端的信號可以表示為：

其中F＝F_RF_B，系統(tǒng)的信道容量可以表示為：

其中混合塊編碼矩陣F它的每一行對應一個子陣列的編碼，每一列對應一個數(shù)據(jù)流的編碼。同時，F(xiàn)矩陣行相似于模擬編碼矩陣，列相似于數(shù)字編碼矩陣。對此為了算法表示的簡化我們提出兩點假設：

(1)流經(jīng)子陣列的數(shù)據(jù)流數(shù)目等于子陣列連接的RF鏈數(shù)目；

(2)同一數(shù)據(jù)流在相鄰的子陣列中傳輸(不影響算法性能)。

基于上述假設我們考慮到不同的數(shù)據(jù)流被相同的多個子陣列傳輸, 混合塊編碼矩陣F可以寫為F＝[F₁,F₂,...,F_K]，從而混合編碼矩陣的優(yōu)化問題可以分解為多個編碼子矩陣的優(yōu)化問題。系統(tǒng)的頻譜效率可以表示為

然后根據(jù)圖2的流程可以得到最優(yōu)的混合編碼矩陣F。

第二部分是在最優(yōu)的混合編碼矩陣F已知的情況下，設計約束的混合編碼矩陣。假定約束混合編碼矩陣為G，矩陣G和矩陣F具有相同的結(jié)構(gòu)，因此G可以表示為G＝[G₁,G₂,...,G_K]，從而有

根據(jù)上述描述我們知道最優(yōu)的約束編碼矩陣可以通過下式獲得

通過整個矩陣的近似可以得到每個子矩陣對應的編碼矩陣也是近似的，從而有

不考慮G_i,sub中的非零元素，我們可以進一步得到