[发明专利]大规模MIMO系统模数混合预编码方法

说明书

本发明公开了一种大规模MIMO系统的模数混合预编码方法，与已有全数字预编码方法相比，利用本发明能以较小频谱效率损失换取射频链路数量和处理复杂度的大幅降低，显著提升大规模MIMO系统的功率效率。本发明通过下述技术方案予以实现：首先，基站通过上下行链路互易性或用户端反馈获取该基站到K个单天线用户的下行信道矩阵H，并将K路独立数据流输入大规模MIMO模数混合预编码器；接着，大规模MIMO模数混合预编码器根据信道矩阵H求出模拟射频预编码矩阵F_RF，根据H和已求出的F_RF计算出数字基带预编码矩阵F_BB，根据求解出的F_RF和F_BB对输入其中的K路数据流进行模数混合预编码，输出一个分别由N_t个天线发送的N_t维列向量信号x。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种大规模MIMO系统中低成本和低复杂度的模数混合预编码方法。

背景技术

在现代信息社会中，随着图像、视频等高质量多媒体业务的蓬勃发展，移动通信系统需要提供更高的传输速率和可靠性。在无线频谱资源日趋紧张、“绿色通信”观念日益深入人心的条件下，研究人员始终在不懈探索具有高频谱效率和功率效率的无线传输技术。多入多出MIMO(亦称为多天线)技术通过在通信链路的收发两端设置多个天线而充分利用空间资源，可提供分集增益以提升系统的可靠性，提供复用增益以增加系统的频谱效率，提供阵列增益以提高系统的功率效率，近20年来一直是无线通信领域研发的主流技术之一。目前， MIMO技术已被3GPP的LTE/LTE-Advanced、IEEE的WiMAX等第四代移动通信系统(4G)标准采纳。但是，现有4G系统基站配置天线的数目较少(一般不超过8)，MIMO性能增益依然有限。

针对传统MIMO技术的上述不足，美国贝尔实验室的Marzetta于2010年提出了大规模MIMO技术。在大规模MIMO系统中，基站配置数十至数百个天线(较传统MIMO系统天线数增加1～2个数量级)，而终端只需配置单天线。基站充分利用系统的空间自由度，在同一时频资源服务多个终端。研究表明：系统吞吐量仅受限于其它小区中采用相同导频序列的用户的干扰(即导频污染)，而小尺度信道衰落、小区内干扰和噪声的影响都可忽略。大规模MIMO的这种良好特性使其能极大提升系统频谱效率和功率效率，也是它成为第五代移动通信系统(5G)关键候选技术之一的重要原因。

理论上，为了实现对多径信道的探测与分离，并实现最优系统性能，传统MIMO和大规模MIMO需要采用全数字预编码(precoding)。在基带进行数字化处理，需要天线阵列中每个阵元都具有独立的射频链路，它包含天线辐射阵元、射频放大器、上下变频器及数模/模数转换器等。考虑到大规模MIMO阵列拥有大量阵元，系统的复杂度、成本和功耗相对于传统MIMO阵列会急剧上升，这在很大程度上限制了大规模MIMO技术的应用。因此，探索和研究射频链路数少于基站天线数的预编码方案更加符合实际。

为了解决上述问题，研究人员提出了新型的模数混合预编码方案。模数混合预编码的基本思想是将传统的全数字预编码分解为两个部分的级联：数字基带低维度预编码(通过少量射频链路实现)以消除用户间干扰，模拟射频高维度预编码(通过大量模拟移相器实现)以增加天线阵列增益。与全数字预编码相比，模数混合预编码可以较小的性能损失达到大幅降低射频链路数量和处理复杂度的目的，从而提升系统的功率效率。

目前，大部分模数混合预编码都是针对全连接结构设计的。在图5( a) 所示的全连接结构中，每个射频链路通过移相器与所有天线相连，故所需移相器数量等于射频链路数与天线数之积。当天线数非常大时，所需移相器将达到数百甚至上千，这会导致很高的能耗和处理复杂度。因此，文献6提出了图5( b) 所示的部分连接结构。在部分连接结构中，每个射频链路仅与某个天线子阵列中的所有天线相连，故所需移相器数量等于天线数，而与射频链路数无关。因此，部分连接结构能提供比全连接结构更高的功率效率和更低的处理复杂度。图1给出了通用的大规模MIMO模数混合预编码器的全连接结构和部分连接结构示意。