[发明专利]一种基于正交码本的毫米波MIMO系统的收发联合混合预编码方法

说明书

本发明公开了一种基于正交码本的毫米波MIMO系统的收发联合混合预编码方法。所述方法包括：步骤a:建立毫米波MIMO系统的混合预编码问题的模型；步骤b:引入等效信道概念，设计正交码本，将混合预编码问题转化成最大化等效信道增益的问题，进而联合设计收发端的模拟预编码；步骤c:给定收发端模拟预编码，联合设计收发端的数字预编码；步骤d:输出收发端的数字预编码和模拟预编码。本发明通过收发端的联合设计，一方面能够保证获得接近数字预编码的性能，另一方面，不需要接收端向发射端反馈信道信息，只需反馈模拟预编码矩阵在码本中的序号，以及数字预编码矩阵，减少了反馈时间，保证了系统的可实现性。

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于正交码本的毫米波MIMO系统的收发联合混合预编码方法。

背景技术

随着移动智能终端的不断进步和发展，爆发式增长的移动数据量加剧了传统频段的拥塞。在这样的背景下，为了满足未来无线通信高速率、大数据量的需求，频谱资源充足的毫米波频段逐渐成为了人们关注的焦点。然而，严重的路径损耗成为毫米波通信研究中亟待解决的问题。好在毫米波波长较短，相应的天线单元可以在较小的空间内密集排列，从而组成大规模天线阵列，因此可以利用大规模天线形成的波束增益来对抗毫米波频段严重的路径损耗，同时也可利用基于大规模天线的预编码技术来提高系统的频谱效率。在传统的MIMO系统中，全数字预编码是在基带部分由数字编码器完成的，经过编码的数据流会通过射频链转换成射频模拟信号并由天线进行发射。在这种结构下，需要为每根天线都配备一条射频链，系统才能够正常工作。当天线数目较少时，这种结构能够有效地利用数字预编码来获得波束赋形增益。但是，在毫米波通信系统中，天线数量大幅增加，如果依旧采用数字预编码的处理方式，所需的射频链数量也会明显增加，从而导致系统的能量消耗和硬件成本过高。因此，在毫米波系统中提出了混合预编码结构，用以解决上述问题。在此方案中，混合预编码可以利用较少的射频链将经由数字预编码处理的信号转换成模拟信号并传输给模拟编码器进行进一步处理，以形成可传输的基带发射信号，从而完成混合预编码的过程。

对现有混合预编码研究成果检索发现，诸多相关文献均指出混合预编码是毫米波通信的关键技术之一。事实上，混合预编码问题的关键在于解决模拟预编码矩阵非凸的优化问题。因此，混合预编码需要重点研究的是在恒模约束下，如何设计模拟预编码矩阵的问题。其研究成果主要是在以下两种结构下进行的：第一种全连接结构，即每个射频链与所有的天线相连接。Omar El Ayach等在2014年IEEE Transaction on WirelessCommunications上发表的Spatially sparse precoding in millimeter wave MIMOsystems率先将混合预编码的问题等效为欧氏距离最小优化问题，提出了基于阵列响应向量的正交匹配追踪算法，使之简化了带有恒模约束的混合预编码设计方案。虽然该算法可以获得较好的系统性能，但由于算法中的求逆运算，使得实现复杂度比较高。Xianghao Yu等在2016年的IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing上发表的Alternating minimization algorithms for hybrid precoding in millimeter waveMIMO systems中根据模拟预编码问题中的恒模约束定义了相应的黎曼流形，提出了基于共轭梯度法的混合预编码算法，然而其搜索过程仍导致了较高的复杂度。第二种部分连接结构，即每个射频链只与部分天线相连接。 Xinyu Gao等在2016年IEEE Journal onSelected Areas in Communications发表Energy-Efficient Hybrid Analog andDigital Precoding for MmWave MIMO Systems With Large Antenna Arrays根据多用户信号检测技术的思想，提出了基于连续干扰抵消的混合预编码算法。该算法中假设数字预编码矩阵为对角矩阵且只提供功率分配，因此会导致一定的系统性能损失。

发明内容