[发明专利]天波大规模MIMO波束结构预编码传输方法与系统

说明书

本发明公开了一种天波大规模MIMO波束结构预编码传输方法与系统。天波大规模MIMO通信基站利用波束结构预编码器生成发送信号，实现下行预编码传输。波束结构预编码器由各用户低维波束域预编码器、各用户波束映射模块、波束调制模块构成，各用户低维波束域预编码器为各用户波束集合上的预编码器，各用户波束映射将各用户低维波束域预编码信号映射成完整的波束域发送信号，波束调制为波束矩阵乘以波束域发送信号矢量，该波束域发送信号矢量为各用户波束域发送信号矢量之和。本发明可以解决天波大规模MIMO下行预编码传输的设计和实现复杂度问题，能够显著提升天波通信的频谱与功率效率、以及传输速率和传输距离。

技术领域

本发明涉及天波通信领域，特别是一种涉及天波大规模MIMO波束结构预编码传输方法 与系统。

背景技术

天波通信通常利用1.6～30MHz的短波波段，通过电离层反射的方式实现长达几千公里的 远距离信号传输。由于电离层信道传播特性异常复杂，传统的单入单出天波通信系统往往仅 具有很低的系统数据率。大规模MIMO技术通过在基站侧配置大量天线，在同一时频资源上 服务大量用户，可以极大提升系统容量和可靠性。

现有地面蜂窝通信系统一般采用在空间域设计用户预编码器，其维度等于基站天线数。 在大规模MIMO系统中，这个维度是相当大的，因此求解高维的空间域预编码设计问题的计 算量非常可观。另一方面，天波大规模MIMO信道的角度扩展典型的非常小，也就是说波束 域信道是稀疏的，发射端发送的无线信号仅通过有限的方向到达接收端，所以可以选择在部 分波束方向上发送信号，并可取得近乎最优的和速率性能。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种天波大规模MIMO波束结构预编码传输方法与系统， 该方法利用具有波束结构的空间域预编码器，通过灵活选择波束集合，进行相应的低维波束 域预编码器设计，可以大幅提升天波通信的频谱效率，进而大幅提高传输速率和传输距离， 并显著降低空间域预编码器设计的复杂度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

天波大规模MIMO波束结构预编码传输方法，所述波束结构预编码传输方法包括：天波 大规模MIMO通信基站利用具有波束结构的预编码器生成发送信号，实现与一组用户的下行 预编码传输；波束结构预编码器由各用户低维波束域预编码器、各用户波束映射模块、波束 调制模块构成，各用户低维波束域预编码器为各用户波束集合上的预编码器，各用户波束映 射将各用户低维波束域预编码信号映射成完整的波束域发送信号，波束调制为波束矩阵乘以 波束域发送信号矢量，该波束域发送信号矢量为各用户波束域发送信号矢量之和；基站依据 各用户波束基信道表示及波束域信道信息，设计各用户低维波束域预编码器。

作为本发明的一种改进，所述波束矩阵为选定的一组空间角度采样格点所对应的阵列方 向矢量构成的矩阵，每个阵列方向矢量称为一个波束。

作为本发明的一种改进，所述各用户波束集合为各用户波束基信道表示中波束域信道非 零元素所对应波束的集合或包含该波束集合的选定集合。

作为本发明的一种改进，所述波束基信道表示为波束矩阵乘以波束域信道矢量；所述波 束域信道信息包括波束域信道矢量的估计值及估计误差的方差。

作为本发明的一种改进，所述波束域预编码器的设计包括：优化目标为最大化系统和速 率的设计、最大化系统遍历和速率的设计及最大化系统遍历和速率上界的设计，其中，

(1)所述优化目标为最大化系统和速率的设计，利用波束矩阵、各用户波束映射矩阵、 各用户波束域预编码器和各用户信道估计值更新系统和速率表达式，将空间域预编码器设计 问题转化为波束域预编码器设计问题，且波束域预编码器的迭代设计包括如下步骤：

①初始化各用户波束域预编码器，使其满足功率约束；

②利用MM算法框架得到系统和速率在当前迭代下的凸替代函数；