[发明专利]大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码系统及方法

说明书

本发明公开了大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码系统及方法，其特征在于，所述模拟预编码方法包括：获取N_RF个基带数据流，并将N_RF个基带数据流通过N_RF个射频链路输入到模拟预编码器中做模拟预编码，获得N_TX个发射天线信号；将获得的N_TX个发射天线信号通过N_TX个发射天线分别发送；所述模拟预编码为：N_RF个维基带数据向量x通过y＝F_RFx做模拟预编码，获得N_TX维向量y，所述N_TX维向量y包含N_TX路信号，且由N_TX路信号通过N_TX个发射天线分别发送，N_RF≤N_TX，F_RF为模拟预编码矩阵；本发明的有益效果为无需改变基站大规模天线的物理形态和真理结构，仅对其作虚拟子阵列划分，增加系统设计的灵活性；仅需查找有限个信道系数中具有最大模的系数的相位和序号信息，减少了计算的复杂度。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及大规模MIMO中基于虚拟子阵列的模拟预编码系统及方法。

背景技术

大规模MIMO(massive multiple-input multiple-output)通过在基站配置数十至数百个天线，并结合简单的发射预编码和接收合并处理，能极大提升系统频谱效率和功率效率，已成为第五代移动通信系统(5G)等无线通信系统的关键技术。理论上，在下行链路中大规模MIMO需采用全数字预编码以获取最优系统性能。然而，基带的数字化处理要求天线阵列每个阵元具有独立的射频链路，导致复杂度、成本和功耗相对于传统MIMO急剧上升，这在很大程度上限制了大规模MIMO的实际应用。由此，研究人员提出了射频链路数少于基站天线数的模数混合预编码方案。其基本思想是：将预编码分解为基带低维数字预编码和射频高维模拟预编码两个部分，且后者通常使用简单的移相器实现。

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。早期的大部分模数混合预编码都针对全连接结构设计。在图1a所示全连接结构中，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；天线很多时，所需移相器将达到数百甚至上千，从而导致较高的能耗和处理复杂度。因此，又提出了图1b所示基于部分连接结构的模数混合预编码，即每个射频链路仅与某个天线子阵列中所有天线相连，故所需移相器数等于天线数。已有研究表明，部分连接结构能获得比全连接结构更好的成本、复杂度和性能折衷。然而，已有研究多采用迭代或搜索类等高复杂度算法来求解模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵，难以应用于实际系统。

采用部分连接结构大规模MIMO模数混合预编码可适用于单用户和多用户两种情形。针对单用户场景，文献[Ming Zhu,et al.Low-Complexity Partially-ConnectedHybrid Precoding for Massive MIMO Systems[C].Proceedings of IEEE WirelessCommunicationsNetworking Conference(WCNC),2020:1-6.]提出了“固定子阵列+基于空口信道相位信息的块对角模拟预编码+基于等效信道矩阵奇异值分解的数字预编码”的模数混合预编码方法。针对多用户场景，文献[张雷,等.大规模MIMO系统模数混合预编码方法[P].中国:ZL201611057987.6,2017-08-15.]提出了“固定子阵列+基于空口信道相位信息的块对角模拟预编码+基于等效信道矩阵求逆的数字预编码”的模数混合预编码方法。这两种方法的共同特点是：每个射频链路与预先设定好的固定子阵列连接；能分别求出模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵的简单闭合解，且都基于空口信道相位信息设计具有块对角结构的模拟预编码矩阵，以在模拟预编码阶段实现等增益发送的子阵列增益，因而能以极低复杂度获得不错的总体性能。