[发明专利]一种混合连接的混合波束赋形架构和编码器设计

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及大规模MIMO系统中混合波束赋形架构和编码器算法的设计。

背景技术

为了满足5G对系统容量需求的急剧增加，出现了一些新型的无线通信技术。但系统容量的提升主要包括下述三个方面：提高频谱效率、增加小区数量、提升频谱带宽；与之对应的关键技术之一分别是大规模MIMO技术、超密集网络(UDN)、毫米波(mmWave)通信。然而，上述不同技术并不是完全独立的，它们之间相互促进、相互补充。例如，mmWave的波长较短使得在有限的物理空间布置大量的天线成为可能；大规模天线阵列通过波束赋形能够提供更大的天线阵列增益，从而弥补mmWave在传输过程中的损耗。但是，上述技术在相互结合的过程中也产生了一些新的问题。对于mmWave大规模 MIMO系统来说传统的数字波束赋形技术需要射频(RF)链路的数目与天线数目相同，这在具体的硬件实现上是不现实的。因此，传统的数字波束赋形技术不再适用于大规模MIMO系统。

混合波束赋形技术作为大规模MIMO系统的关键技术之一，能够有效的减少RF链路的数目，从而降低大规模天线阵列的实现复杂度。目前，关于大规模天线阵列的混合波束赋形架构主要分为两种：全连接架构和部分连接架构。对于全连接架构来说每个RF链路连接到天线阵列的所有阵元上，需要消耗的移相器的数目较多，实现的复杂度较高，但系统模拟端的自由度较高，因此能够提供更高的频谱效率。对于部分连接架构来说，每个RF链路连接到子阵列的全部阵元，需要消耗的移相器的数目较少，实现的复杂度较低，导致系统模拟端的自由度相对较低，因此系统的频谱效率相对于全连接架构来说会有所损失。

发明内容

本发明提出了一种混合连接的混合波束赋形架构和编码器设计算法及实现装置，该架构在降低系统硬件实现复杂度的同时能够有效的保证系统的频谱效率，同时有效的提高了系统的能量效率。

本发明的具体实现过程如下：

提出的混合连接的混合波束赋形架构如图1所示，在该架构中每个子阵连接到多个RF链路上，同时每个RF链路连接到对应子阵的所有天线。

针对图1的混合波束赋形架构，混合编码器的设计分为两部分：基于连续干扰消除思想的非约束混合编码器的设计；次优化的约束混合编码器设计。

第一部分，针对图1混合连接HBF架构，假定发送端天线为N_t，接送端天线数目为N_r，信道矩阵为系统总的RF链的数目为N_R＝SD，其中D表示子阵列数目，S表示每个子阵列连接的RF链的数目，数字端编码为模拟端编码为为对角阵，为发送的数据流，n为独立高斯白噪声满足n∈CN(0,σ²)，发送端的信号可以表示为：

其中F＝F_RF_B，系统的信道容量可以表示为：

其中混合块编码矩阵F它的每一行对应一个子阵列的编码，每一列对应一个数据流的编码。同时，F矩阵行相似于模拟编码矩阵，列相似于数字编码矩阵。对此为了算法表示的简化我们提出两点假设：

(1)流经子阵列的数据流数目等于子阵列连接的RF链数目；

(2)同一数据流在相邻的子阵列中传输(不影响算法性能)。

基于上述假设我们考虑到不同的数据流被相同的多个子阵列传输, 混合块编码矩阵F可以写为F＝[F₁,F₂,...,F_K]，从而混合编码矩阵的优化问题可以分解为多个编码子矩阵的优化问题。系统的频谱效率可以表示为

然后根据图2的流程可以得到最优的混合编码矩阵F。

第二部分是在最优的混合编码矩阵F已知的情况下，设计约束的混合编码矩阵。假定约束混合编码矩阵为G，矩阵G和矩阵F具有相同的结构，因此G可以表示为G＝[G₁,G₂,...,G_K]，从而有

根据上述描述我们知道最优的约束编码矩阵可以通过下式获得

通过整个矩阵的近似可以得到每个子矩阵对应的编码矩阵也是近似的，从而有

不考虑G_i,sub中的非零元素，我们可以进一步得到