[发明专利]一种基于毫米波大规模MIMO天线系统的重叠子连接混合预编码方法

说明书

本发明以兼具高能量效率、低功耗、低硬件成本和低复杂度的毫米波大规模混合预编码方案目标，公开了一种基于低解析度移相器的重叠子连接混合预编码方法，重叠子连接架构作为性能和成本的折中，既能保证较高的频谱效率，又能保证较高的能量效率，相比较于完全连接架构，本发明可以提高天线配置的自由度，在传输性能以及能量效率之间达到更好的平衡。

技术领域

本发明涉及多输入多输出天线技术领域，特别是涉及一种基于毫米波大规模MIMO天线系统的重叠子连接混合预编码方法。

背景技术

为了克服当前频谱资源短缺的问题，5G系统亟待开发波频率在30GHz以上毫米波波段，为无线通信提供更多的带宽资源。由于载波频率更高，波长更短，毫米波存在高路径损失、传输距离短、绕射能力差、容易散射、穿墙性差等缺陷。为了克服更高的路径损耗，5G通信系统要求基站配备大量天线以提供较大的阵列增益，即大规模多输入多输出(massiveMultiple-Input Multiple-Output,Massive MIMO)天线系统。另一方面，更高频段载波使得天线间距可以降低，有助于将大量天线压缩成一个紧凑的天线阵列，从而实现MassiveMIMO。反过来，Massive MIMO能为对抗较高频段无线通信的路径损耗提供较大的阵列增益，同时大规模天线还带来更多的空间自由度(Degree of Freedom，DoF)并使波束成型能量更集中。因此，5G关键技术Massive MIMO能有效克服频谱短缺问题并提高频谱效率。

在大规模MIMO天线系统架构下，传统的全数字预编码器对信号进行空域预处理，能减少数据流或用户之间的干扰，从在相同接收检测性能的前提下，能够降低接收机处理的复杂度。但是，在毫米波大规模MIMO系统中，由于基站天线数量成百上千，而且占用的带宽更大，所以无论从设备复杂度、成本，还是功耗和散热角度考虑，全数字的预编码技术都不再适用。针对这一问题，相对比较好的解决方案就是模拟和数字相结合的混合预编码方案，混合预编码器包含了一个低维的数字预编码器和一个高维的模拟预编码器，它们之间通过少量的RF链路连接，减小了系统的实现成本和能量消耗，同时又能够实现较好的系统性能。现有的混合预编码方案分为两种：部分连接混合预编码架构、全连接混合预编码架构。

混合预编码方案要解决的问题就是如何设计数字预编码和模拟预编码，使得系统的性能更接近全数字预编码。目前混合预编码算法多是基于全连接移相器网络架构，这使得系统硬件成本、功耗和复杂度相比于经典的纯数字预编码明显降低，但在实际应用中仍然具有很大的局限性。此外，基于部分连接的混合架构的预编码算法的研究目前相对较少，且大多数工作假设单天线用户或仅模拟组合用于用户的多个天线，并且由于硬件成本和功率消耗的限制，每个用户仅配备一条射频链。为此需要降低硬件成本、功耗和复杂度，在保证系统能量效率性能最优的情况下，设计复杂度低、硬件成本低和功耗低的有效的混合预编码方法，更好地实现系统能量效率性能最优方法还有待深入挖掘。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种基于毫米波大规模MIMO天线系统的重叠子连接混合预编码方法，能够在硬件复杂度、高频谱效率和高能量效率等方面实现平衡。

本发明的技术方案为:

一种基于毫米波大规模MIMO天线系统的重叠子连接混合预编码方法，包括以下步骤：

步骤1：建立毫米波大规模MIMO天线系统模型，采用扩展的Saleh-Valenzuela信道模型构造信道矩阵；

1-1.毫米波大规模MIMO天线系统系统模型

在毫米波大规模MIMO天线系统中，基站配置N_t根发射天线与N_t^RF根射频链路，传输K个数据流，并同时服务接收端共K个用户设备UE，每个UE都同样配置N_r根接收天线与一根射频链路，且只接收一个数据流，N_r^RF表示所有用户的射频链路总数量，系统必须满足