[發(fā)明專利]一種低精度量化大規(guī)模MIMO中最優(yōu)正則預(yù)編碼方法

有效

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• 申請日: 2018-02-01
• 公開（公告）號: CN108063634B
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許威;徐錦丹
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: H04B7/0456
• 分類號: H04B7/0456;H04B7/0413
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司 32206
• 代理人: 杜靜靜

本發(fā)明公開了一種低精度量化大規(guī)模MIMO中最優(yōu)正則預(yù)編碼方法，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，基站需要配置數(shù)十甚至上百根天線。為了降低硬件成本和系統(tǒng)功耗，基站端每根天線配置低精度量化的DAC，用戶端一般配置有限精度量化的ADC。此外，由于基站端天線數(shù)目巨大而設(shè)備體積受限，天線陣列布置密集，多天線空間信道不獨立，存在相關(guān)性。本發(fā)明綜合考慮低精度量化和信道相關(guān)性的影響，在最大化每個用戶接收信干噪比的準(zhǔn)則下優(yōu)化基站端的正則預(yù)編碼方法。給定基站天線數(shù)目，DAC量化精度，以及信噪比，本發(fā)明能夠迅速確定最優(yōu)的正則預(yù)編碼計算形式。本發(fā)明計算簡單，對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的下行鏈路傳輸具有積極意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種低精度量化大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)中最優(yōu)正則預(yù)編碼方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

大規(guī)模MIMO技術(shù)具有極大提升系統(tǒng)容量、提高頻譜和功率效率的優(yōu)點，已被公認(rèn)為未來移動通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。最初的單用戶MIMO技術(shù)可以通過部署多個發(fā)送/接收天線獲得多天線分集增益。但是，為了充分復(fù)用頻譜和空間資源，研究人員們首先提出了多用戶MIMO傳輸方式。這種傳輸模式可以讓多個用戶復(fù)用相同的時頻資源進行數(shù)據(jù)傳輸，而不同用戶數(shù)據(jù)通過預(yù)編碼來進行區(qū)分。Jindal，Vishwanath和Goldsmith等研究人員最早從信息論角度給出了多用戶MIMO上行信道和下行信道的理論信道容量，并給出了最佳的多用戶預(yù)編碼設(shè)計方案，即臟紙編碼(DPC,Dirty Paper Coding)。他們的研究成果首次揭示了MIMO技術(shù)用于多用戶層協(xié)作傳輸?shù)幕纠碚摵蛯崿F(xiàn)方法。雖然多用戶協(xié)作的最優(yōu)理論已經(jīng)非常明確，但是基于DPC的多用戶預(yù)編碼包含的非線性復(fù)雜計算并不適用于目前絕大部分系統(tǒng)。為了便于系統(tǒng)實現(xiàn)，研究人員們進一步提出了一系列的低復(fù)雜度線性預(yù)編碼方法，其中包括最大比合并、迫零以及正則預(yù)編碼方案等。最大比合并預(yù)編碼雖然實現(xiàn)簡單，但是存在用戶間干擾。迫零預(yù)編碼雖然能夠消除用戶間干擾，但是需要進行矩陣求逆運算，當(dāng)信道矩陣病態(tài)時會出現(xiàn)功率損失問題。正則預(yù)編碼因其引入了正則化系數(shù)，算法穩(wěn)定且性能良好，在大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。在正則預(yù)編碼方案中，正則化系數(shù)的取值對系統(tǒng)性能具有直接影響。在現(xiàn)有文獻中，正則化系數(shù)一般設(shè)置為用戶數(shù)目/信噪比。若充分考慮實際系統(tǒng)的特性，例如信道的空間相關(guān)性、信號的低精度量化等，該系數(shù)的取值有待進一步優(yōu)化。

在多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，每根射頻鏈路，即每根天線，需要配置一對模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元(DAC)，分別對復(fù)數(shù)信號的實部和虛部進行量化，因此系統(tǒng)的硬件和功耗成本隨著天線數(shù)目的增長而大大增加。針對這個問題，目前有兩種解決方案。一是為射頻鏈路配置低精度的ADC和DAC。由于ADC/DAC的功耗隨其量化精度的增加而呈指數(shù)級增長，配置低精度ADC/DAC能夠有效降低系統(tǒng)功耗。已有研究表明，在某些實際場景下1比特量化的ADC足以獲得近似最優(yōu)的傳輸速率。此外，已有研究人員提出混合使用高低精度的ADC/DAC，以期在系統(tǒng)性能和功耗成本之間進行權(quán)衡。二是減少射頻鏈路的數(shù)目以減少ADC/DAC的數(shù)目。同一射頻鏈路服務(wù)于多根天線，每根天線配置移相器形成數(shù)字-模擬混合收發(fā)結(jié)構(gòu)。顯然，以上兩種方法都會造成一定程度的性能損失。前者會帶來量化誤差，后者會降低天線復(fù)用增益。

此外，對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能的研究通常都是在獨立信道假設(shè)下進行的。許多研究將信道建模成瑞麗衰落模型，信道矩陣中每個元素都服從獨立同復(fù)高斯分布。然而，在實際通信系統(tǒng)中，基站端天線數(shù)目巨大而天線陣列體積又非常受限，相鄰天線單元間隔通常十分狹小，因此不同天線和用戶間的信道向量不滿足獨立分布，而存在空間相關(guān)性。信道相關(guān)性會對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能造成非常大的影響。天線單元間隔越小，空間相關(guān)性就越強。已有文獻證明，相鄰天線間隔為4倍波長的MIMO系統(tǒng)與不存在相關(guān)性的系統(tǒng)相比，信道容量存在百分之二十的衰減。在現(xiàn)有研究中，常用的信道相關(guān)模型有Kronecker模型和Unitary-Independent-Unitary(UIU)模型等。對于不同形式的信道相關(guān)矩陣，預(yù)編碼方案也應(yīng)隨相關(guān)性而做出相應(yīng)的優(yōu)化。