一种用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法与流程

技术特征：

1.一种用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在射频端，首先假定所有载波上的模拟预编码相同，以最大化系统频谱效率为准则，利用完整的信道状态信息设计理想的模拟预编码矩阵；

2)根据实际中移相器的特性，确定每个载波上发生相位偏移的模拟预编码矩阵，在数字域设计相位修正矩阵，修正实际中不同载波上的模拟预编码发生的相位偏移，以逼近步骤1)中得到的理想模拟预编码矩阵，将相位修正矩阵与每个载波上发生相位偏移的模拟预编码矩阵相乘即为所设计的模拟预编码矩阵；

3)在基带处，利用等效低维度的信道状态信息设计数字预编码矩阵；

4)将步骤2)中得到的模拟预编码和步骤3)中得到的数字预编码相乘，即得混合预编码设计方案。

2.根据权利要求1所述的一种用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法如下：

考虑一个下行宽带大规模MIMO系统，基站通过N_RF根射频，N_t根天线，发送N_s个数据流，用户配置N_r根天线，其射频数与天线数相同，共有K个子载波；F_BB[k]表示第k个载波上数字基带预编码矩阵，F_RF是表示所有载波上的模拟预编码矩阵，在接收端，W[k]表示接收合并矩阵，其中，

101)第k个载波上的接收信号：

y[k]＝W^H[k]H[k]F_RFF_BB[k]s[k]+W^H[k]n[k] (1)

其中，H[k]表示第k个载波上的信道，表示第k个载波上的噪声；

102)根据上一步中的接收信号，基站端以最大化互信息为目标设计模拟预编码和数字预编码描述如下：

$\begin{array}{cc}P1:& \underset{F_{RF},F_{BB}\[k\]}{max}\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{\log }_2\det (I+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2}H\[k\]F_{RF}{F}_{BB}\[k\]F_{BB}{\[k\]}^H{F}_{RF}^{H}H{\[k\]}^H)\end{array}$

$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\left|\right|F_{RF}{F}_{BB}\[k\]|{|}_F^2\≤P_{tot}\end{array}---\left(4\right)$

其中，是模拟预编码的可行集，即一组所有元素幅度都相同的N_t×N_RF矩阵集；

103)求解上述优化问题，获得理想的模拟预编码矩阵：

$F_{RF}^{opt}={\[V_R\]}_{1:N_{RF}}---\left(5\right)$

其中R为信道相关矩阵。

3.根据权利要求2所述的一种用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法如下：

201)根据实际中移相器的特性，确定每个载波上发生相位偏移的模拟预编码矩阵：将步骤1)中得到模拟预编码矩阵作为中心载频上的模拟预编码矩阵，则实际中第k个载波上的模拟预编码矩阵可表示为：

其中，表示，F_RF是中心载频上的模拟预编码矩阵，表示第k个载波上的相位偏差矩阵，表示矩阵A与矩阵B的Hadamard积；

202)在数字域对相位偏移做修正：修正方案可描述为：

$\begin{array}{cc}P2:& \underset{F_c\[k\]}{min}\left|\right|F_{RF}^{opt}-F_{RF}\[k\]F_c\[k\]|{|}_F^2\end{array}---\left(7\right)$

其中可在步骤1)求得，当第k个载波的频率给定后，由公式(6)计算得F_RF[k]，因此，求解P2，得到一个众所周知最小均方解：

其中表示矩阵A的伪逆；

203)将相位修正矩阵与每个载波上发生相位偏移的模拟预编码矩阵相乘即为所设计的模拟预编码矩阵，即F_RF[k]F_c[k]。

4.根据权利要求3所述的一种用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法如下：

经过步骤2)确定所有载波上的模拟预编码和相位修正矩阵后，基带处的等效低维度的信道状态信息表示为：

$H_{eff}\[k\]=H\[k\]F_{RF}\[k\]F_c\[k\]{({\left(F_{RF}\[k\]F_c\[k\]\right)}^H{F}_{RF}\[k\]F_c\[k\])}^{-\frac{1}{2}}---\left(9\right)$

在基带处，对等效低维度的信道状态信息进行SVD分解可得数字预编码，其中V_eff[k]为等效信道H_eff[k]的SVD分解的右奇异矩阵。

5.根据权利要求4所述的一种用于实际宽带大规模MIMO系统的混合预编码设计方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法如下：

将步骤2)中得到的模拟预编码和步骤3)中得到的数字预编码相乘，即得混合预编码设计方案：

F＝F_RF[k]F_c[k]F_BB[k] (10)。