[发明专利]一种毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码设计方法

说明书

本发明公开了一种毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码设计方法，为了解决毫米波大规模MIMO系统的预编码设计过程中，对于非凸约束的优化问题的求解方式导致系统频谱效率低、计算复杂度高的问题，本发明提供的混合预编码设计方法采用波瓣分解信道模型，设计毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码，在保证计算复杂度的同时，能够提高系统频谱效率。根据本发明的方法在系统建模时采用波瓣分解信道，将含有非凸约束的优化问题进行转化，并充分利用模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵之间的相关性，并根据数字预编码矩阵的隐含稀疏结构，求出每个波瓣内每个数据流的自有支撑集与共有支撑集，据此联合设计混合预编码，以提高系统的频谱效率。

技术领域

本发明涉及一种毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码设计方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着无线数据量爆炸式的增长，毫米波大规模MIMO系统受到越来越多的关注，其作为第五代移动通信技术的关键技术之一，具有高数据传输速率、高可靠性的显著优势。传统的MIMO系统中，发送端通过数字预编码技术预先消除各数据流之间的部分或全部干扰，使发送信号的空间分布特性与信道条件相匹配，获得更好的频谱效率及误码率性能。但针对大规模MIMO系统，天线阵列规模大幅度增加，若采用传统全数字预编码技术，则需要大量的射频链路(Radio Frequency，RF)，增加了硬件设计难度和设计成本。研究者将模拟预编码技术应用到大规模MIMO系统中，只需要少量RF链路，硬件成本及功耗都低。但这种应用存在一定的频谱效率性能损失，且其抗干扰能力较弱，故研究者提出了将低维数字预编码技术和高维模拟预编码技术相结合的混合预编码结构，该结构在减少RF链路的同时能够充分利用大规模天线阵列带来的增益。

由于毫米波频率高、波长短，传输过程中受环境因素影响将会产生严重损耗，对于毫米波而言其散射是有限的，因此视距传输为主要传输方式，信道特征具体表现为信道的稀疏性。同时基于模拟预编码码本中码字的恒模约束及离散特性，研究者们为了最大化系统频谱效率，将混合预编码设计问题转化为含有非凸约束的优化问题，并采用正交匹配追踪算法(Orthogonal Matching Pursuit，OMP)进行稀疏信号重建，设计混合预编码矩阵，但OMP算法需要进行高维矩阵的奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)及求逆运算，导致计算复杂度明显增加。有学者通过设计预编码码本、改进RF连接结构、优化迭代算法等方式来提高系统的频谱效率及误码率性能，但也难以实现系统频谱效率、误码率性能与计算复杂度之间的均衡。

此外，目前大多数混合预编码技术均基于时间簇信道模型，忽略了毫米波通信传输路径的角度稀疏特性。有研究表明毫米波传输路径的到达角(Angle of Arrival，AOA)和离开角(Angle of Departure，AOD)具有波瓣分解的特性，信道可分解为多个正交波瓣子信道，避免了高维矩阵的SVD，但该方法牺牲了部分系统性能。因此，若要基于波瓣分解信道模型进行毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码设计，也需对其系统频谱效率及误码率性能进行提高。

发明内容

为了解决目前毫米波大规模MIMO系统的预编码设计过程中，对于非凸约束的优化问题的求解方式导致的系统频谱效率及误码率性能低、计算复杂度高的问题，本发明提供了一种毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码设计方法。本发明的方法采用波瓣分解信道模型，设计毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码，在保证计算复杂度的同时，提高了系统频谱效率及误码率性能。

根据本发明的混合预编码设计方法，在毫米波大规模MIMO系统中，包含N_s个数据流的发射信号s在发射端通过数字预编码模块进行数字预编码处理后，传输至由条射频链、移相器和射频相加器构成的模拟预编码模块，由模拟预编码模块进行模拟预编码处理后，将数据流映射到N_t根发射天线上，并发送至加噪的波瓣分解信道进行数据传输，接收端通过N_r根接收天线接收数据，并依次经过模拟合并模块及数字合并模块进行处理，得到接收信号y，实现多路径的数据流传输。