[發明專利]一種毫米波大規模MIMO系統混合預編碼方法

有效

• 申請號: 201811326711.2
• 申請日: 2018-11-08
• 公開（公告）號: CN109167622B
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 吳君欽;付名揚
• 申請（專利權）人: 江西理工大學
• 主分類號: H04B7/0456
• 分類號: H04B7/0456
• 代理公司: 溫州知遠專利代理事務所(特殊普通合伙) 33262
• 代理人: 湯時達

本發明涉及無線通信技術領域，特別涉及一種毫米波大規模MIMO系統混合預編碼方法,該技術方案所選用的MIMO系統信號處理流程為：用戶待發送基帶信號先利用數字預編碼器進行數字預編碼處理，然后調制到射頻信號，再利用模擬預編碼器對射頻信號進行移相處理，再經天線陣列發送出去。本發明所提出的混合預編碼方案具有接近理想預編碼算法的通信信道容量性能，與基于空間稀疏等技術的理想預編器相比，有效降低了系統硬件復雜度以及編碼設計復雜度和計算復雜度，僅經過簡單迭代就可達到理想性能。

技術領域

本發明涉及無線通信技術領域，特別涉及一種適用于毫米波MIMO系統的混合預編碼器設計方法。

背景技術

毫米波(mmWave)和大規模多輸入多輸出(MIMO)的結合被認為是未來5G無線通信系統的一種有前景的方法，因為它在可用頻譜方面提供數量級的增加。但由于天線數量的增加，數字預編碼器的總體硬件復雜性和能量消耗成為嚴重的問題。為了解決這個問題，混合數字預編碼和模擬預編碼被用來減少射頻鏈的數量。在此方案中，發射端的基帶源信號首先被送入數字基帶處理器，數字基帶處理器輸出聯接到若干條RF鏈通道處理，然后再送入由相位轉換器組成的模擬移相單元，最終轉換成基帶發射信號。接收端的數據流程與發射端的流程是一一對應的。由于相位轉換器只能改變輸入信號的相位，并不能調整輸入信號的幅度，因此被稱為模擬波束成形器。另一方面，數字收發通道不再與陣列天線對應相連，相比于全數字的波束成形方案,其數量可以大幅降低。

對大規模MIMO信道模型和信道特征的進一步研究發現，基于毫米波波束空間具有很強稀疏性，可以通過將容量優化問題作為近似逼近問題，逼近最優容量。同時為了進一步簡化RF鏈路結構，每個RF鏈可以僅連接一個天線子陣列，即采用子陣列結構實現混合預編碼,每個天線子陣列為一個相控陣天線，通過RF模擬調相實現每個子陣列發送波束指向特定用戶?；谏鲜鲅芯浚诰哂凶雨嚵薪Y構的毫米波大規模MIMO混合預編碼系統中，本專利提出了一種基于迭代混合預編碼器設計方案，以實現低復雜度的近似最優性能。

本發明的基本思路就是將復雜的毫米波MIMO混合預編碼系統容量優化問題，分解為每個天線子陣列系統容量逐一優化處理的問題，這意味著連接到特定RF鏈的每個天線子陣列的預編碼將可以分開考慮。對于第一個天線子陣列，先使用數字預編碼器來控制幅度，然后使用模擬預編碼器來調整相位。在優化第一個天線子陣列的可實現容量之后，利用逐次干擾消除的思想來消除第一個天線子陣列對總容量的貢獻，然后優化第二個天線子陣列的容量，重復這樣的過程，直到最后的天線子陣列，完成整個系統的容量優化問題求解，也即完成了混合預編碼器的設計和求解。

發明內容

本發明提供了一種毫米波大規模MIMO系統混合預編碼方法，旨在最大化可達的系統容量。為了解決上述問題，本發明提供了如下技術方案。

一種毫米波大規模MIMO系統混合預編碼方法，包括以下步驟：

步驟【1】：根據本發明所采用的毫米波MIMO混合預編碼系統技術方案，建立毫米波MIMO系統預編碼器設計問題模型。本發明毫米波MIMO系統的信道容量表達式為：預編碼器設計問題最終轉化為最大化信道容量的優化求解問題，其數學表達式為：

步驟【2】：采用串行干擾相消(SIC)的思想，先打開第1個天線子陣列，在等幅約束條件下，求P的第1列近似最優取值p_1,opt。p_1,opt的求解過程為：先給定初始模擬預編碼，基于所述初始模擬預編碼，屏蔽各個用戶之間的干擾，然后通過從基站向多個用戶提取聚合下行鏈路信道的相位，模擬預編碼器僅進行相位調節和控制，最后根據ZF迫零預編碼算法來求解數字預編碼器。