[發明專利]一種混合預編碼器及其設計方法

有效

• 申請號: 201910065149.0
• 申請日: 2019-01-23
• 公開（公告）號: CN109861731B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 高鎮;孫藝瑋;肖振宇;王華
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H04B7/0456
• 分類號: H04B7/0456;H04B7/08
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 李愛英;郭德忠

本發明提供了一種混合預編碼器及其設計方法，能夠實現低計算復雜度，頻譜有效性、誤碼性能較高，并且能夠充分發掘出部分連接的結構在能量有效性上的優勢。本發明的預編碼方法基于主成分分析，進行混合預編碼，提高了頻譜有效性和誤碼性能。本發明是基于主成分分析的混合預編碼設計方法，在全連接和部分連接情況下均可以實現，其中全連接是針對所有天線所有射頻鏈路進行處理，部分連接子陣是對于每個射頻鏈路對應子陣列單獨進行處理。本發明在部分連接子陣的主成分分析前，利用共享的凝聚層次分析方法進行動態子陣天線分組，不僅能關注到天線之間的關聯，也關注到了天線本身，能達到更好的效果。

技術領域

本發明屬于移動通信的預編碼技術領域，涉及一種毫米波大規模(一般是數數十到幾百以上的天線陣列)MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出技術)-OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用技術)系統下的混合預編碼器及其設計方法。

背景技術

近年來，隨著無人機和衛星等飛行器技術的發展，基于兩種技術的應用也在飛速發展。在未來的智慧城市(Smart Cities)中，無人機和衛星將會在物流、應急通信、消防、航拍、遙感以及救援等事務中扮演重要角色。為了最大程度利用兩者的優勢，高效而可靠的通信系統的建設是必不可少的。這一新的發展趨勢可以融合空間信息網絡的全域覆蓋與局部增強能力，提高重點地區高頻次觀測、公共安全應急響應和救災實時觀測等應用的機動性和時效性。然而，無人機/衛星系統在通信系統的可靠傳輸上還存在一些亟待解決的技術難題。因此，MIMO技術在無人機/衛星通信中的應用，被認為是實現上述宏偉目標的關鍵技術之一。在MIMO中，預編碼技術是一項非常重要的技術，因為它可以保證系統獲得足夠的陣列增益，以解決路徑損耗問題，并同時顯著減少用戶之間的干擾，從而成倍的提高系統容量。

現有技術在基于單載波MIMO系統的基礎上，采用壓縮感知中的正交匹配追蹤方法，從信道的導引矢量中選出模擬預編碼器。然而，由于工程應用中大多是多載波場景，單載波技術并不實用，且有些設計方法并不能擴展到多載波環境下。因此，針對多載波，特別是MIMO-OFDM系統的預編碼設計方法成為了熱點話題。例如“A.Alkhateeb,and R.W.HeathJr.,“Frequency selective hybrid precoding for limited feedback millimeterwave systems,”IEEE Trans.Commun.,vol.64,no.5,May 2016,pp.1801-1818.”中基于有限反饋的MIMO-OFDM系統，對于射頻預編碼提出了一種碼本設計方法，對于基帶預編碼提出了一種通用的解決方式(采用注水算法實現數字域編碼的設計)。在碼本設計方法中基于全連接的預編碼來進行結構設計，但是全連接具有高能耗、高復雜度的特性，因此不適于應用在對功耗限制較大的移動場景，MIMO-OFDM系統的頻譜有效性、誤碼性能較低。

基于上述研究，文獻“S.Park,A.Alkhateeb,and R.W.Heath Jr.,“Dynamicsubarrays for hybrid precoding in wideband mmWave MIMO system,”IEEETrans.Wireless Commun.,vol.16,no.5,May 2017,pp 2907-2920.”對于射頻預編碼提出了一種基于信道統計信息的預編碼器設計方法，并將此方法應用到了固定子陣連接的情景；受固定子陣連接設計啟發，該文獻又提出了一種基于貪婪算法的動態子陣連接方式，雖然提出了子陣的設計方法，但貪婪算法的計算復雜度較高，沒有充分發掘出部分連接的結構在能量有效性上的優勢。

可見，目前預編碼技術集中在單載波環境，在實際應用多采用多載波環境(例如OFDM)的毫米波通信場景中，全連接混合預編碼技術多是基于全連接陣列結構的，這種陣列結構硬件復雜度較高，且有較高的能耗；現有的基于動態連接能在一定程度上解決能耗的問題，但現有的動態子陣計算復雜度較高，沒有充分發掘出部分連接的結構在能量有效性上的優勢。

發明內容