用于毫米波MIMO的基于移相器的联合空分复用方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种用于毫米波MIMO的基于移相器的联合空分复用方法。

背景技术

在大规模MIMO（Multiple Input Multiple Output，MIMO）系统中，信道状态信息(Channel State Information, CSI)的获取是其发挥高系统性能的关键所在，但由于基站端天线数量较大，获取CSI需要的系统开销较大。为了解决这个问题，在频分双工(Frequency Division Duplexing, FDD)毫米波大规模MIMO系统中提出了联合空分复用JSDM(Joint Spatial Division and Multiplexing, JSDM)方法，以减少下行链路训练长度(Downlink training length, DTL)和上行链路CSI反馈。

传统JSDM方法主要考虑单环信道模型，但单环信道模型较为局限，难以描述复杂的散射特性。毫米波信道中有多个散射簇，为具有多簇多径的几何稀疏信道模型。直接将传统JSDM中利用近似相同的信道协方差特征空间将用户分组的方式应用于的毫米波大规模MIMO系统，不符合组间信道正交性要求，会带来系统频谱效率性能的下降。此外，传统JSDM方法中二级预编码矩阵的实现是基于两阶段的数字预编码，然而数字预编码需要配置与发送天线数量同样多的(Radio Frequency, RF)链路，在有大量发送天线的毫米波大规模MIMO系统中，大量的RF链将会产生高昂的硬件成本和功率消耗。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种用于毫米波MIMO的基于移相器的联合空分复用方法，可以明显提升系统频谱效率，减少射频（RF）链的数量，从而降低了硬件成本和功耗。

技术方案：本发明提供一种用于毫米波MIMO的基于移相器的联合空分复用方法，包括：

基于毫米波大规模MIMO系统，基站发送的数据流通过信道依次经过导频矩阵的处理、数字预编码矩阵的处理、模拟预编码矩阵的处理后，通过发送天线发射至用户端，其中矩阵的设计为：

步骤1：将毫米波信道中存在发送角重叠的簇分为同一簇组；

步骤2：基于统计信道状态信息，设计与每个簇组对应的模拟预编码矩阵，并从可行设计中确定消除非相邻簇组之间干扰的模拟预编码矩阵，并由移相器实现；按照图论顶点着色以减少下行链路训练长度设计得到导频矩阵；将数字预编码矩阵的初始值设计为单位矩阵；

步骤3：基于瞬时信道状态信息，设计数字预编码矩阵，基于迫零准则以减小簇组内相互干扰，设计对应每个簇组的数字预编码矩阵，替换步骤2中的数字预编码初始值。

具体的，所述设计与每个簇组对应的模拟预编码矩阵，采用以下公式计算：

其中，

具体的，模拟预编码矩阵

其中，第n簇组的信道协方差矩阵

具体的，设计得到导频矩阵

其中，等效信道矩阵中同一列中的点具有相同的颜色，而同一行中的点具有不同的颜 色的顶点着色为

具体的，基于稀疏等效信道矩阵和瞬时信道状态信息，使用迫零预编码实现数字 预编码矩阵

其中，

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：明显提升毫米波大规模MIMO系统频谱效率，减少射频（RF）链的数量，从而降低了硬件成本和功耗。

附图说明

图1为毫米波大规模MIMO的全连接结构系统示意图；

图2为棋盘到图形的转换示意图；

图3为等效矩阵的棋盘等效图；

图4为系统频谱效率随信噪比变化的性能示意图；

图5为系统能量效率随信噪比变化的性能示意图；

图6为最小下行链路训练长度的累积分布函数（CDF）变化性能示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

参阅图1，其为毫米波大规模MIMO的全连接结构系统示意图。

本发明提供一种用于毫米波MIMO的基于移相器的联合空分复用方法，包括：

基于毫米波大规模MIMO系统，基站发送的数据流通过信道依次经过导频矩阵的处理、数字预编码矩阵的处理和模拟预编码矩阵的处理后，通过发送天线发射至用户端，其中矩阵的设计为：

步骤1：将毫米波信道中存在发送角重叠的簇分为同一簇组；

步骤2：基于统计信道状态信息，设计与每个簇组对应的模拟预编码矩阵，并从可行设计中确定消除非相邻簇组之间干扰的模拟预编码矩阵，并由移相器实现，从而最大化系统频率效率；按照图论顶点着色以减少下行链路训练长度设计得到导频矩阵；将数字预编码矩阵的初始值设计为单位矩阵；

步骤3：在上述步骤之后可以获得稀疏的等效信道矩阵以及瞬时信道状态信息，接下来基于瞬时信道状态信息设计数字预编码矩阵，基于迫零准则以减小簇组内相互干扰，设计对应每个簇组的数字预编码矩阵，替换步骤2中的数字预编码初始值（单位矩阵）。

在实际应用中，可以明显提升系统频谱效率，减少了射频（RF）链的数量，从而降低了硬件成本和功耗。

在具体实施中，多用户场景下毫米波大规模MIMO的全连接结构系统模型，如图1所示。每条RF射频链路都连接到基站（BS）端的所有天线，假设一个基站同时服务U个用户，基站配备了N

在下行链路中，BS应用了

这里，

第u个MS端接收到的信号为：

其中，h

其中，R

其中，

在具体实施中，对联合空分复用方法中基于移相器的混合预编码问题进行数学建模。最优化目标是降低系统导频和反馈开销，并最大化下行链路的系统频谱效率。由式（2），第u个用户速率为：

系统频谱效率为：

在具体实施中，利用簇的发送角(AoD)非重叠性进行分组，实现基于波束簇的分组。毫米波信道模型不同于单环信道模型，为多簇多径的几何稀疏信道模型，其中有多个散射簇，每个簇都有不同的发送角和狭窄的角度扩展，簇中有多条路径。本发明实施例中，波束簇根据各簇的发送角的非重叠性进行分组。一些簇中信道路径的发送角与其他簇中信道路径的发送角不重叠甚至有较大差距，则这些簇与其他簇分成不同的组；有重叠则分为同一组。如果在整个信道中所有的簇都没有重叠，则每个簇对应一个组。将所有簇都分组之后，每组具有相似的协方差矩阵，并且不同组中的簇具有近似值正交协方差矩阵。当天线的数量非常大时，用户u的非邻居簇中信道向量与其本身的信道向量近似正交，从而易于在接下来的模拟预编码矩阵设计中，消除非相邻簇间的干扰。

本发明实施例中，所述设计与每个簇组对应的模拟预编码矩阵，采用以下公式计算：

其中，

在具体实施中，基于移相器设计满足恒定模数限制的模拟预编码矩阵，可以减少射频链的数量，具体分为以下步骤。

首先，基于统计信道状态信息（CSI），分组设计模拟预编码矩阵F

假设簇组的数量为N，模拟预编码矩阵F

其中，

其中，第u个用户的等效信道矩阵，即HF

其中，

由（10）可知，等效信道矩阵HF

因此，等效矩阵为一个稀疏矩阵时，在上行信道反馈过程中，只需要考虑等效信道中的 非零项即可，即只需反馈

给定稀疏的有效信道矩阵之后，设定表示零元素

其中，

由于小尺寸衰落Z

由（14），可以获得

其中，

接着，在满足（15）的众多可行解中，寻找模拟预编码矩阵设计的最佳方案（17），以最大化系统频谱效率（系统内接收各个用户的速率总和最大）。

求解模拟预编码矩阵，等效信道矩阵在模拟编码后变为稀疏矩阵，可以减小DTL和CSIT反馈。实际上，满足（15）的F

设计

定理1：当天线数量变为无穷大时，如果不同组中的任何两个波束簇不重叠，提出的基于移相器的联合空分复用方法可达到具有完整CSIT的多用户系统（2）中信道容量。

证明：记（2）中多用户系统的用户容量为C

因为，

已知，

可以推导得到：

假设每个用户信道具有的簇都是固定的，可得：

即：

由（17）可得：

不同组中的任何两个波束簇不重叠，则易于验证当天线数量趋于无穷大时，不同簇组的协方差矩阵是正交的，那么可得：

依据

由（18）和（19），可得：

如果，则

可以推导得到：

定理1表明，如果信道中不同簇组是不重叠的，本发明实施例提出的基于移相器的联合空分复用方法可以实现毫米波大规模MIMO多用户系统的信道容量。在实际中发送端天线数量是有限的，而且簇是随机分布，它们有可能重叠。因此，提出的方法可以消除非邻居簇的组间干扰，最大化系统频谱效率性能。

定理1表明，如果信道中不同簇组是不重叠的，本发明实施例提出的基于移相器的联合空分复用方法可以实现毫米波大规模MIMO多用户系统的信道容量。在实际中发送端天线数量是有限的，而且簇是随机分布，它们有可能重叠。因此，提出的方法可以消除非邻居簇的组间干扰，最大化系统频谱效率性能。

本发明实施例中，模拟预编码矩阵

其中，第n簇组的信道协方差矩阵

下一步骤中，基站端具有大量发送天线时，基于离散傅里叶变换（DFT）码本设计模拟预编码矩阵F

在具体实施中，在毫米波大规模MIMO系统中，基站端通常都配置大量的发送天线，此时非相邻簇组的协方差矩阵彼此近似正交，因此，模拟预编码矩阵设计时可以使用信道协方差矩阵R

DFT矩阵F中第(m,n)个元素可以被定义为：

记

其中，

假设第n簇组的信道中用户数量为U

定理2：毫米波信道的每各个簇组对应的模拟预编码矩阵中列的数量（即RF链的数量）大于等于用户数的两倍时，即N

证明：令N

或者

对于所有的

因此，当N

模拟预编码矩阵

当天线数量趋于无穷时，

因为

最后，由（17）、（36）和（37），可知

综上所述，基于DFT码本的模拟预编码矩阵F

本发明实施例中，所述按照图论顶点着色以减少下行链路训练长度设计得到导频矩阵，包括：

设计得到导频矩阵

等效信道矩阵中同一列中的点具有相同的颜色，而同一行中的点具有不同的颜色的顶 点着色为

在具体实施中，将导频矩阵设计问题转化为图论中的顶点着色问题，基于图论设计导频减少DTL。其中图中的色数被证明为最小DTL，远小于发送天线的数量。

首先，下行链路训练阶段的导频设计问题建模。

毫米波信道的每个用户的信号路径在一个或多个簇中传输。因此，在这种情况下的导频矩阵设计更加复杂。上述步骤模拟预编码之后，在下行链路训练阶段进行导频设计，以降低DTL。

在下行链路训练阶段，令X

定义

这里X

问题

这里，

一旦获得问题

接着用每个点的颜色来描述是其列是否正交的。如果第(i

问题

满足

定理3：满足（42）的导频矩阵X

其中，

证明：在

定理3表明设计导频矩阵问题X

接下来，记

其中，

基于图论的导频设计，提出了基于图论的导频设计，即获取

索引矩阵可以标记棋盘图中的位置，如图2，假设棋盘中有N列，每列的点着相同的颜 色，这就意味着不同的列要有不同的颜色。因此，把它转换为另一个有着N个顶点的等效图， N个顶点意味着棋盘图中N列。同一行中的点具有不同的颜色，标记索引矩阵Q中第k行q

根据Q生成邻接矩阵F（Q

假定索引矩阵Q具有N列，可以生成具有N个顶点的图

图

问题

由于可以基于邻接矩阵F（Q

综上所述，下行链路训练中导频矩阵设计已通过图论的方法转化为顶点的着色问题求解。

本发明实施例中，基于统计信道状态信息，将数字预编码矩阵的初始值设计为单 位矩阵

本发明实施例中，因为等效信道矩阵是稀疏矩阵，仅估算和反馈其中小尺寸的非零块，即每一簇组的等效信道矩阵。假设信道估计和反馈过程是完美的，在上述步骤之后可以获得瞬时的信道状态信息。

最后，在数字预编码设计阶段，基于瞬时信道状态信息，设计基于迫零准则的数字 预编码

其中，

由于在模拟预编码时可以消除组间干扰，数字预编码可以减轻组内干扰，从而实现良好的系统频谱效率性能。

在具体实施中，与现有技术相比，本发明实施例实现了毫米波大规模MIMO系统中基于移相器的联合空分复用方法，可以有效减少RF链的数量，降低了硬件成本和功耗，同时减少了下行链路DTL和上行链路CSI反馈开销，并获得比传统联合空分复用方法更好的系统频谱效率和能量效率性能。

在具体实施中，应用的毫米波大规模MIMO的信道模型为扩展的Saleh Valenzuela模型。在这种模型下，信道矩阵可以描述为簇和径，每个簇中包含多条传输路径，并沿簇进行传播。在该模型下，用户和基站之间的信道矩阵H

其中N

其中，d是相邻天线元件之间的距离，

在实际性能仿真中，构建128×64的毫米波大规模MIMO系统（N

图4展示了不同信噪比下，基于移相器的JSDM方法、传统的JSDM方法以及波束控制混合预编码方法的系统频谱效率性能比较的仿真结果。毫米波大规模MMIO 系统中，本发明提出的基于移相器的JSDM方法的系统频谱效率性能优于传统JSDM方法，以及波束控制混合预编码。基于移相器的JSDM方法应用了簇分组的方式提高了系统频谱效率性能，并且簇数量P=4优于P=3时的仿真性能，这是由于当每个用户信道拥有更多的簇数量，则用户信道中的自由度就变大，从而获得更多的频谱效率增益。

图5展示了不同信噪比下，基于移相器的JSDM方法、传统的JSDM方法以及波束控制混合预编码方法的能量效率性能比较的仿真结果。本发明提出的基于移相器的JSDM方法的能量效率最好，传统JSDM方法的能量效率最差。这是因为本发明是基于移相器设计了数字和模拟混合的二阶段预编码，大大减少了高能耗的RF链路的数量，而传统JSDM方法中二级预编码矩阵的实现是基于两阶段的数字预编码，RF链路数量等于发送天线数量，因此有较高功率消耗，从而降低能量效率。

图6展示了基于移相器的JSDM方法的最小DTL的累积分布函数（CDF）的仿真结果。 设置用户数量U=16或者32，每个用户信道中拥有的簇的数量均匀分布在