一种3d-mimo系统的射频与基带混合预编码方法
【专利摘要】本发明公开了一种3D-MIMO系统的射频与基带混合预编码方法，包括步骤1)信道估计及计算相关矩阵；2)构造射频预编码码本；3)计算并反馈射频预编码码字；4)计算并反馈基带预编码码字；5)下行数据发送。本发明针对3D-MIMO系统的信道特性，实现了用户级的波束对准；采用了长周期和短周期的反馈策略，减少了实时反馈量，极大地减轻了上行链路的负担；降低了射频链的数目，从而降低成本；操作简便，易于应用于实际的通信系统。
【专利说明】一种3D-MI MO系统的射频与基带混合预编码方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信【技术领域】，涉及一种预编码方法，特别涉及一种3D-MIM0系 统的射频与基带混合预编码方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着移动互联网的高速发展，用户对数据传输速率的需求也急剧增加。 在网络容量方面，第五代移动通信技术致力于实现"十年千倍"的目标。为实现这一目标， 3D_MIM0(Three Dimension Multiple-Input Multiple-Output，三维多输入多输出）技术 作为其中一项关键技术倍受瞩目。
[0003] 3D-MM0系统增加了对垂直维度信道信息的利用，在能够较大提升系统平均吞吐 量的同时，还能改善小区边缘用户的服务质量。3D-MM0系统在基站端配置有源天线阵列 (其中大多为均匀矩形阵列），天线规模的增大导致了射频链数目的增多，信道维数的扩 张，以及信号处理复杂度的增加。
[0004] 为提升3D-MM0系统的性能，现有的3D-MM0技术通常采用下述的方法。
[0005] (1)在垂直维度对小区进行分裂，利用有源天线提供的多波束对垂直方向进行 覆盖，每个波束服务一定的环形范围内的用户。例如，若垂直分裂为两个分区，则小区将 被分为内部分区和外部分区。这一方法操作简便，但是由于难以精确实现用户级的对准， 3D-MIM0系统的性能提升较为有限。
[0006] (2)采用DFT矩阵的Kronecker积型码本，对主方向波束进行量化反馈。这一方法 存在两个问题：一是需要瞬时反馈量化信息，且信道矩阵的维度扩张导致反馈量较大；二 是虽然基站侧获取了一定的信道信息，但是单一的主方向波束并不能完全地表征信道，对 信道信息的利用不够充分。
【发明内容】
[0007] 为解决现有3D-MM0系统性能提升方法存在的技术问题，本发明给出了一种 3D-MIM0系统的射频与基带混合预编码方法，具有实现用户级对准、低反馈负载和低实现成 本等优点。
[0008] 本发明的技术原理可以描述为：3D-MM0系统基站侧的天线配置为均匀平面阵， 其信道信息包括水平和垂直两个维度，现有移动通信标准普遍采用的几何随机特性MIM0 信道能很好的近似实际场景，所以可以充分利用三维信道的结构特性进行下行预编码设 计。DFT向量的Kronecker积与基站指向某一散射簇的波束导向矢量是一致的，可以在射频 部分采用移相器来实现波束矢量对散射簇的对准。基站可以选取主要的若干个散射簇，在 对准的基础上，对其波束导向矢量进行实时的线性合并，这样即可使得信号更加集中指向 用户。
[0009] 基于这一原理，本发明所设计的有限反馈预编码方法包括两个部分：一是长周期 反馈的射频预编码码字，能够利用信道的统计信息，得到较长时期内信道中主要散射簇的 分布方向；二是在每个时隙内，根据瞬时信道信息，用户反馈基带预编码码字，对指向散射 簇的波束进行线性合并。
[0010] 具体而言，本发明采取如下的技术方案：
[0011] 一种3D-MMO系统的射频与基带混合预编码方法，考虑单用户下行场景，基站配 置均匀平面阵列，其阵元排列为Naz列M于，基站天线数目为Nt=NelXN az，射频链的数目为 #严，下行发送数据流数目为K ，用户端的天线数目为队，所述方法包括如下步骤：
[0012] (1)信道估计及计算相关矩阵
[0013] 用户估计下行信道矩阵，信道估计结果ik表示为：
【权利要求】
1. 一种3D-MM0系统的射频与基带混合预编码方法，其特征在于，考虑单用户下行场 景，基站配置均匀平面阵列，其阵元排列为Naz列N行，基站天线数目为Nt=NXNaz，射频 链的数目为A严，下行发送数据流数目为K ，用户端的天线数目为队，所述方法包括 如下步骤： (1) 信道估计及计算相关矩阵 用户估计下行信道矩阵，信道估计结果会表示为： 6 七為，…，/ZivJeC' 其中，Ii1为基站的第1根天线与用户天线之间的信道响应，按照先行后列的顺序依次对 阵元进行编号； 用户端利用下行信道信息，计算发送端相关矩阵Rt:
其中，氧表示第i个时隙的信道估计结果，N表示时隙数目，A,〃表示对氧.进行共轭转 置； (2) 构造射频预编码码本 信道信息的水平方向采用〃w比特的DFT码本信道信息的垂直方向采用N0比特的DFT码本C0，采用Kronecker积构造射频预编码码本Ckf; (3) 计算并反馈射频预编码码字 对于发送端相关矩阵Rt，采用匹配追踪法计算得到射频预编码码字C=，并以N个时隙 为周期对其进行反馈； (4) 计算并反馈基带预编码码字 在每个时隙，对于信道估计结果，计算对应的基带预编码码字，并将其反馈回 基站； (5) 下行数据发送 在每个时隙，基站利用和Cji对发送信号进行预编码，用户接收到的信号y表示如 下：
其中，SeCv*xl表示待发送的信号，P表示用户端的信号功率，neC?xl表示接收端的 高斯白噪声，(〇,Cr,q。
2. 根据权利要求1所述的3D-MIM0系统的射频与基带混合预编码方法，其特征在于，所 述步骤（2)中射频预编码码本Ckf的构造，包括如下步骤： (2. 1)构造乂比特的水平DFT码本CpEC7vvxa :
其中，?表示对两个矩阵进行Kronecker乘积。
3. 根据权利要求1所述的3D-MIM0系统的射频与基带混合预编码方法，其特征在于，所 述步骤（3)中射频预编码码字C: 的计算方法按照如下步骤： (3. 1)对发送端相关矩阵Rt进行SVD分解，取其右奇异向量的前列，表示为 eCN'xNr ； (3. 2)输入IT，采用匹配追踪法计算并选取得到射频预编码码字C姦。
4. 根据权利要求3所述的3D-MM0系统的射频与基带混合预编码方法，其特征在于，所 述匹配追踪法的计算流程包括： (4. 1)对F:在射频预编码码本中选择最优的码字k，
其中，（?）u表示矩阵中的第1行每1列个元素，则Ckf的第k列为所选的码字，此时 射频预编码矩阵为岣； (4.2)计算现有射频预编码矩阵在F:中所占的分量
其中，II?IIf表示对矩阵求Frobenius范数； (4. 3)对!^3在射频预编码码本中选择最优的码字m，
将新获得的码字m并入原来的射频预编码矩阵Cg中：C芯=[C尨,C, ，若(:芯 的列数等于Wf7，则输出C:为最终的射频预编码矩阵，否则，返回步骤（4. 2)。
5.根据权利要求1所述的3D-MIM0系统的射频与基带混合预编码方法，其特征在于，所 述步骤⑷中，假设采用Nbb比特的格拉斯曼码本每个时 隙的基带预编码码字按照以下步骤选取： (5. 1)对该时隙的信道矩阵进行SVD分解，取其右奇异向量的前凡列，表示为 (5.2)计算基带最优预编码矩阵Fbb: pi _/\_1 rBB~y^RFy^RF)k^RFFBB 并对整体的预编码矩阵C=Ffi5进行功率归一化，得到归一化后的基带最优预编码矩 阵：
(5. 3)根据Fbb，依照传统的最小奇异值准则，从格拉斯曼码本Cbb中选择最优的基带预 编码码字C°￡。
【文档编号】H04L1/00GK104506281SQ201510018268
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月14日 优先权日:2015年1月14日
【发明者】李勇朝, 刘灿, 井文文, 王伟, 韩萍, 马克 申请人:西安电子科技大学