一种基于等效信道的大规模MIMO系统混合预编码方法与流程

本发明涉及一种编码方法，特别涉及一种基于等效信道的大规模mimo系统的混合预编码方法。

背景技术：

mimo技术根据不同的应用场景可以分为单用户多输入多输出(single-usermimo)和多用户多输入多输出(multi-usermimo)。massivemimo是mu-mimo的升级。大规模多输入多输出(largescalemimo)将传统mimo的天线数增加，现有的原型机一般采用128根天线，现有文献的仿真大多采用100-256根天线。大规模mimo最早是在2010年被一个叫做tomasl.marzetta的人提出的。文章指出通过增加基站端的天线，可以平均掉噪声、衰落、小区内干扰等。通过阵列天线增益来提高发射信号的发射功率，从而减小了对功率放大器的硬件要求。从传统的多输入多输出系统到大规模mimo技术的发展不仅仅是天线数量增加那么简单，与传统的mimo相比大规模mimo的信道特性，信号处理方式以及相关噪声都可能发生变化，它是由量变到质变的过程。

预编码技术和信号检测技术类似，都是采用信号处理技术对由信道和接收噪声引起的干扰进行消除，不同的是前者是在发射端进行的而后者是在用户端进行的。现有的预编码方法大多比较复杂，实用性较低。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种复杂度低、实用性强的基于等效信道的大规模mimo系统的混合预编码方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于等效信道的大规模mimo系统的混合预编码方法，包括以下步骤：

步骤一：发射端将信道矩阵h进行奇异值分解，计算出全数字预编码矩阵fopt；

步骤二：在射频链路数与数据流数目相等的情况下将fopt进行奇异值分解，获得模拟移相器预编码矩阵frf与基带数字编码矩阵fbb；

步骤三：利用等效信道概念构造一个新的模拟移相器预编码矩阵，获得新的改写矩阵；

步骤四：由步骤三得到的新的改写矩阵求得等效信道矩阵根据信道矩阵h和等效信道矩阵求得幅度可变的模拟预编码矩阵fau，最后构成混合预编码矩阵，并通过天线发送出去；

步骤五：在接收端处以最小均方误差法获得无约束组合器矩阵wmmse，对接收到的信号进行合并。

上述基于等效信道的大规模mimo系统的混合预编码方法，所述步骤一的具体步骤为：

1-1)对信道矩阵h进行奇异值分解，即其中uc是一个维度为nbs×nbs的酉矩阵,其中nbs代表基站天线数目，是一个维度为ns×ns的酉矩阵，其中ns是终端天线数目，∑c是一个维度为nbs×ns的对角矩阵；

1-2)取中的前ns列构成一个fopt矩阵。

上述基于等效信道的大规模mimo系统的混合预编码方法，所述步骤二的具体步骤为：

2-1)射频链路数与数据流数目相等时，在忽略预编码器硬件限制下，fopt为纯数字预编码矩阵时互信息达到最大，即达到最大值；其中i代表单位矩阵，ξ代表平均信号接收功率，代表方差，h^*分别表示所对应的原矩阵fbb、frf、h的共轭转置矩阵；在发射端处设计混合模拟/数字预编码器表述为对fopt进行再一次的奇异值分解，获得包含模拟移相器角度信息的酉矩阵uf，维度为nbs×nbs，获得酉矩阵维度为ns×ns以及对角矩阵∑f维度为nbs×ns，uf中的元素是维度为nbs×1的列向量，中的元素是维度为ns×1的列向量；

2-2)在射频链路数与数据流数目相等时，对uf内的元素进行单位归一化，形成的新矩阵frf作为模拟移相器预编码矩阵，即，uf矩阵中的前ns列对应的是矩阵中的最大特征值，在单位归一化后用作模拟移相器预编码矩阵，矩阵frf如下所示：

代表第ns行nbs列的元素；

frf矩阵得到后即可得出相应的基带预编码fbb矩阵，其中代表frf的共轭转置矩阵。

上述基于等效信道的大规模mimo系统的混合预编码方法，所述步骤三的具体步骤为：

利用等效信道的理念，将步骤二中的fopt矩阵改写为其中ui与是fopt奇异值分解后所获得的两个酉矩阵，fi是经过累加后等效于fopt的矩阵；σi是步骤二中的对角矩阵∑f中的元素；时，fi矩阵改写为其中代表模拟移相器，代表基带预编码矢量；将进行单位化，得到的新矩阵记做新的矩阵用作模拟移相器矩阵使用；此时的改写为

上述基于等效信道的大规模mimo系统的混合预编码方法，所述步骤四具体步骤为：

4-1)记表示模拟移相器矩阵，表示基带数字预编码矩阵，相应的全数字矩阵表示为

4-2)信道矩阵其中v表示为v＝[v1v2]，v1作为全数字预编码矩阵，v1的维度是nbs×ns，v2是维度为nbs×(rank(h)-ns)的矩阵，其中rank(h)代表信道矩阵h的秩；取v矩阵中的第一列列向量，即，v1作为全数字预编码矩阵，令fopt＝v1，结合与求出相应的等效信道矩阵其中

4-3)将等效信道表达式写为计算出fau的表达式式中的fau表示的是幅度可变的模拟预编码矩阵；令实现混合预编码，此时矩阵代表幅度可变的模拟预编码矩阵，与fbb数字预编码矩阵结合，得到最终的混合预编码矩阵。

上述基于等效信道的大规模mimo系统的混合预编码方法，所述步骤五具体步骤为：

接收端对发送端发来的信号进行合并，还原，最后得出所需要的信号，输出的信号为信道h，是一个维度为nbs×ns的矩阵。

本发明的有益效果在于：本发明首先基于射频链路数目与数据流数目相等的条件下对信道矩阵进行奇异值分解，计算出全数字预编码矩阵fopt，然后基于fopt矩阵继续进行奇异值分解，得到模拟移相器预编码矩阵frf和数字预编码矩阵fbb，接着运用等效信道概念，计算出模拟预编码矩阵fau，便可获得一个混合预编码矩阵。本发明的混合预编码方法无需经过迭代计算，有效地降低了计算复杂度，并且硬件成本与功耗也较低，在未来5g大规模商用时提供了良好的实用性。

附图说明

图1为大规模mimo系统的预编码模型图。

图2为本发明混合预编码方法的流程图。

图3为nbs＝64，nms＝16，snr＝0db以及snr＝-20db时，本发明方法与已有的预编码方法的频谱效率对比图。

图4为nbs＝256，nms＝64，snr＝0db以及snr＝-20db时，本发明方法与已有的预编码方法的频谱效率对比图。

图5为nbs＝64，nms＝16，ns分别为2和6时在不同snr的情况下，本发明方法与已有的预编码方法的频谱效率对比图。

图6为nbs＝256，nms＝64，ns分别为2和6时在不同snr的情况下，本发明方法与已有的预编码方法的频谱效率对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，图1是大规模mimo系统预编码模型图，首先发送端会向接收端发送ns条数据流，经过数字预编码部分形成一个数字预编码矩阵，然后经过模拟部分转变为模拟预编码矩阵后，通过发送天线传输给接收端，接收端由接收天线接收到数据后依次经过模拟部分和数字部分最后还原出所发送的数据。

如图2所示，一种基于等效信道的大规模mimo系统的混合预编码方法，包括以下步骤：

步骤一：发射端将信道矩阵h进行奇异值分解，计算出全数字预编码矩阵fopt。具体步骤为：

1-1)对信道矩阵h进行奇异值分解，即其中uc是一个维度为nbs×nbs的酉矩阵,其中nbs代表基站天线数目，是一个维度为ns×ns的酉矩阵，其中ns是终端天线数目，∑c是一个维度为nbs×ns的对角矩阵；

1-2)取中的前ns列构成一个fopt矩阵。

步骤二：将fopt进行奇异值分解，获得模拟移相器预编码矩阵frf与基带数字编码矩阵fbb。具体步骤为：

2-1)射频链路数与数据流数目相等时，在忽略预编码器硬件限制下，fopt为纯数字预编码矩阵时的互信息达到最大，即达到最大值；其中i代表单位矩阵，ξ代表平均信号接收功率，代表方差，h^*分别表示所对应的原矩阵fbb、frf、h的共轭转置矩阵；在发射端处设计混合模拟/数字预编码器表述为再对fopt进行奇异值分解，获得包含模拟移相器角度信息的酉矩阵uf，维度为nbs×nbs，获得酉矩阵维度为ns×ns以及对角矩阵∑f维度为nbs×ns，uf中的元素是维度为nbs×1的列向量，中的元素是维度为ns×1的列向量；

2-2)在射频链路数与数据流数目相等时，对uf内的元素进行单位归一化，形成的新矩阵frf作为模拟移相器预编码矩阵，即，uf矩阵中的前ns列对应的是矩阵中的最大特征值，在单位归一化后用作模拟移相器预编码矩阵，矩阵frf如下所示：

代表第ns行nbs列的元素；

frf矩阵得到后即可得出相应的基带预编码fbb矩阵，其中代表frf的共轭转置矩阵。

此时获得的frffbb矩阵不是由fopt直接分解获得，所以还是存在一定的差距，频谱效率还可以得到进一步的提升。

步骤三：利用等效信道概念构造一个新的模拟移相器预编码矩阵，获得新的改写矩阵，即原信道与预编码矩阵等效于一个新的全数字矩阵再用svd技术进行矩阵分解获得所需矩阵。具体步骤为：

利用等效信道的理念，将步骤二中的fopt矩阵改写为其中ui与是fopt奇异值分解后所获得的两个酉矩阵，fi是经过累加后等效于fopt的矩阵；σi是步骤二中的对角矩阵∑f中的元素；时，fi矩阵改写为其中代表模拟移相器，代表基带预编码矢量；将进行单位化，得到的新矩阵记做新的矩阵用作模拟移相器矩阵使用；此时的改写为

步骤四：由步骤三得到的新的改写矩阵求得等效信道矩阵根据信道矩阵h和等效信道矩阵求得幅度可变的模拟预编码矩阵fau，最后构成混合预编码矩阵，并通过天线发送出去。具体步骤为：

4-1)记表示模拟移相器矩阵，表示基带数字预编码矩阵，相应的全数字矩阵表示为

4-2)信道矩阵其中v表示为v＝[v1v2]，v1作为全数字预编码矩阵，v1的维度是nbs×ns，v2是维度为nbs×(rank(h)-ns)的矩阵，其中rank(h)代表信道矩阵h的秩。取v矩阵中的第一列列向量，即，v1作为全数字预编码矩阵，令fopt＝v1，结合与求出相应的等效信道矩阵其中

4-3)将等效信道表达式写为计算出fau的表达式式中的fau表示的是幅度可变的模拟预编码矩阵；令实现混合预编码，此时矩阵代表幅度可变的模拟预编码矩阵，与fbb数字预编码矩阵结合，得到最终的混合预编码矩阵。

步骤五：在接收端处以最小均方误差法获得无约束组合器矩阵wmmse，以上述类似方式对接收到的信号进行合并，还原，最后得出所需要的信号，输出的信号为信道h，是一个维度为nbs×ns的矩阵。

图2-图5是本算法与其他算法的在不同设置条件下的对比。本算法采用了等效信道的方法，与图中所示方法仅次于全数字矩阵算法，由此可见本算法在实际运用中有很大潜力。