[發明專利]基于分布式部分連接的大規模MIMO混合預編碼方法

有效

• 申請號: 202010954329.7
• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN112039565B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 張雷
• 申請（專利權）人: 成都大學
• 主分類號: H04B7/0413
• 分類號: H04B7/0413;H04B7/0456
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 李朝虎

1.基于分布式部分連接的大規模MIMO混合預編碼方法，其特征在于，所述方法在基于分布式部分連接結構的大規模MIMO模數混合預編碼器(201)中使用，所述基于分布式部分連接結構的大規模MIMO模數混合預編碼器(201)包括數字預編碼器(301)、射頻鏈路(302)、模擬預編碼器(303)，模擬預編碼器(303)又包括移相器(304)和分布式連接器(305)，所述大規模MIMO模數混合預編碼方法包括以下步驟：

S1、基站設置N_TX個發射天線和N_RF個射頻鏈路(302)，將基站的N_TX個發射天線劃分為個子陣列，其中表示正整數集合，每個發射天線子陣列的天線數為M₂＝N_TX/N，所述每個射頻鏈路通過分布式連接器(305)與D個發射天線子陣列相連，每個射頻鏈路對應M₁＝N_TX/N_RF＝DM₂個發射天線；

S2、通過模擬預編碼器(303)計算模擬預編碼矩陣F_RF：每個射頻鏈路將根據模擬預編碼矩陣F_RF的優化結果并通過分布式連接器(305)與D個發射天線子陣列相連；

模擬預編碼矩陣F_RF通過下行信道矩陣H計算得到，基站可通過時分雙工系統的上下行鏈路互易性或頻分雙工系統的用戶終端反饋獲取階數為K×N_TX的下行信道矩陣H，其中，K為單天線用戶終端的數量；

根據混合預編碼器的分布式部分連接結構，將下行信道矩陣H劃分為N個階數為K×M₂的子矩陣H_n(n＝1,2,...,N)；由此，下行信道矩陣H可表示為

H＝[H₁ H₂ … H_N]

子矩陣H_n可視為第n個發射天線子陣列到K個用戶終端的下行信道矩陣，可表示為

上式中，h_n,km(k＝1,2,...,K,m＝1,2,...,M₂)表示基站第(n-1)M₂+m個發射天線到第k個用戶終端的信道系數，|h_n,km|和分別表示h_n,km的幅度和相位；

在部分連接結構中使用移相器(304)實現模擬預編碼的約束條件下，需根據一定準則從H_n中選擇一個合適的行向量并提取h_n,k各元素的相位信息以構造發射天線子陣列n對應的模擬預編碼向量f_k,n，即

上式中，算符“^H”表示向量的共軛轉置；由此，可認為通過該準則在用戶終端k和發射天線子陣列n之間建立了一個匹配關系；匹配結果決定了用戶終端k和發射天線子陣列n的具體數值(k,n)，通過(k,n)值查找到子矩陣H_n的第k個行向量，該行向量包含的各信道系數的相位即決定了f_k,n中各元素指數位置相位的具體數值，即移相器對各對應天線移相操作的具體相位值；計算用戶終端k獲得的總體發射天線子陣列增益，通過最大化用戶終端k總體發射天線子陣列增益的原則建立用戶終端k和D個發射天線子陣列之間的匹配關系及分布式連接器的具體連接關系；

在步驟S2中，在模擬預編碼向量f_k,n的作用下，用戶終端k獲得的發射天線子陣列n的增益η_k(n)為

注意到η_k(n)是關于n的函數，即對同一用戶終端但不同的n值，η_k(n)存在差異；設所有發射天線子陣列的序號集合為如前所述，每個射頻鏈路將通過分布式連接器并基于某種準則同時連接D個發射天線子陣列，并生成對應于用戶終端k的模擬預編碼向量；設根據該準則確定的對應于用戶終端k的D個發射天線子陣列的序號構成集合則用戶終端k獲得的總體發射天線子陣列增益為

提出如下最大化用戶終端k總體發射天線子陣列增益η_k的準則建立用戶終端k和D個發射天線子陣列之間的匹配關系，以優化F_RF的設計并提升系統性能：

最大化用戶終端總體發射天線子陣列增益匹配準則：設用戶終端序號集合為U＝{1,2,…,K}，第1輪匹配：第1步，對用戶終端1，計算其對應的所有發射天線子陣列增益再從η₁(n)中選擇對應于前D個最大值的D個發射天線子陣列分配給用戶終端1，將這D個發射天線子陣列的序號記為且與射頻鏈路1對應相連；第2步，對用戶終端2，計算其對應除發射天線子陣列集合以外的其余所有發射天線子陣列增益其中表示集合關于集合的相對補集，再從η₂(n)中選擇對應于前D個最大值的D個發射天線子陣列分配給用戶終端2，將這D個子陣列的序號記為且與射頻鏈路2對應相連……以此類推，直至給用戶終端K分配了D個發射天線子陣列，將這D個子陣列的序號記為且與射頻鏈路K對應相連；第2輪匹配：若K＜N_RF，則還未分配的子陣列集合為繼續對所有用戶按照第1輪匹配的規則從子陣列集合中選擇對應的發射天線子陣列，并將它們順次與其余射頻鏈路相連……以此類推，直至將所有發射天線子陣列分配給相應用戶終端并確定與相應射頻鏈路的連接關系為止；

S3、輸入基于分布式部分連接結構的大規模MIMO模數混合預編碼器(201)的數據流1至數據流K，通過數字預編碼器根據下行信道矩陣H和模擬預編碼矩陣F_RF計算數字預編碼矩陣F_BB：

設等效信道矩陣G＝HF_RF，其階數為K×N_RF；求G的偽逆矩陣W

W＝G^H(GG^H)^-1

矩陣W的階數為N_RF×K；記W的第k列為w_k(k＝1,2,...,K)，其Frobenius范數為||w_k||；以||w_k||為對角元構造一對角矩陣Λ＝diag{||w₁||,||w₂||,...,||w_K||}，則數字預編碼矩陣F_BB可通過下式計算

F_BB＝WΛ^-1；

S4、根據模擬預編碼矩陣F_RF和數字預編碼矩陣F_BB對輸入的多路數據流進行模數混合預編碼：

將輸入基于分布式部分連接結構的大規模MIMO模數混合預編碼器的多路數據流用向量表示為s＝[s₁,s₂,...,s_K]^T；在求解出F_RF和F_BB之后，大規模MIMO模數混合預編碼器201的輸出信號可表示為

x＝F_RFF_BBs＝Fs

輸出信號x是一個N_t維列向量，分別由N_t個天線發送。