阅读说明：本技术 基站侧自适应混合预编码系统和混合预编码的设计方法 (The design method of base station side ADAPTIVE MIXED pre-coding system and mixing precoding ) 是由 秦启波 归琳 张凌 于 2018-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基站侧自适应混合预编码的方案,其中每个射频链固定连接到部分移相器,每个移相器通过选择开关自适应连接到单根天线。针对该结构,设计射频预编码矩阵使等效信道增益最大,设计基带预编码矩阵消除多用户间的干扰。本发明减少了多用户Massive MIMO系统中的移相器数目的需求,降低了硬件开销,同时使系统的频谱效率接近全连接结构的频谱效率。(The present invention provides a kind of schemes of base station side ADAPTIVE MIXED precoding, wherein each rf chain is fixedly attached to part phase shifter, each phase shifter passes through selection switch adaptive connection to single antenna.For the structure, designing radio frequency pre-coding matrix keeps equivalent channel gain maximum, and design base band pre-coding matrix eliminates the interference between multi-user.The present invention reduces the demands of the phase shifter number in multi-user's Massive mimo system, reduce hardware spending, while making the spectrum efficiency of system close to the spectrum efficiency of full connection structure.)

基站侧自适应混合预编码系统和混合预编码的设计方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别是一种基站侧自适应混合预编码系统和混合预编码的设计方法。

背景技术

大规模多输入多输出(Massive Multi-input Multi-output，以下简称为MassiveMIMO)系统中，基站侧安装成百上千根天线，可以在相同时频资源上服务多个用户，通过充分利用空间资源，可以大幅提高频谱效率和功率效率，成为5G的关键候选技术之一。

Massive MIMO系统中预编码方案可以采用数字预编码、模拟预编码或混合预编码。其中，数字预编码结构中每根天线对应一个射频(Radio Frequency，RF)链，系统具有很好的性能，然而数字预编码的结构复杂，对硬件要求高，且功率消耗大；模拟预编码通过移相器控制发送信号的相位，克服了数字预编码成本高的缺点，然而模拟预编码无法提供多路复用的增益；为了权衡系统性能和硬件成本，混合预编码方案在Massive MIMO系统中被广泛接受，混合预编码结合了数字预编码和模拟预编码结构，利用少量的RF链支持多路数据传输。

目前，常见的混合预编码结构包括全连接结构和子连接结构。对于全连接结构，每根天线和所有RF链通过移相器相连，因而系统需要大量的移相器，硬件开销依然较大。对于子连接结构，每个射频链固定连接到部分移相器，且每个移相器只与一根天线固定连接，对移相器个数的需求大大降低，降低了硬件成本。然而，现有文献表明子连接结构使得频谱效率损失较大。因此，如何设计混合预编码结构，同时兼顾硬件成本开销和系统频谱效率，是一个亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提出一种混合预编码结构和相应的混合预编码算法，同时兼顾硬件成本和系统的频谱效率。

本发明的技术解决方案如下：

一种基站侧自适应混合预编码系统，其特点在于，该混合预编码系统包括N_t根发射天线数、N_RF个射频链和N_t个移相器，每个射频链与M个移相器相连，每个移相器通过选择开关连接到单根发射天线，其中M＝N_t/N_RF，系统同时同频接入的用户数为K，每个用户配置单根天线。

上述基站侧自适应混合预编码系统的混合预编码方法，包括如下步骤：

①设计射频预编码矩阵：

其中，为射频预编码矩阵，*为共轭运算，对于1≤k≤K，表示第k个用户对应的信道向量；对于K+1≤k≤N_RF，h_k表示h_mod(k-1,K)+1，mod为求余运算，K表示系统同时同频接入的用户数，表示一个含M个元素的集合，记为：

其中，表示向量|h_k|中所有元素按降序排列的下标集合， 表示向下取整。

②设计基带预编码矩阵为：

其中，为基带预编码矩阵，为等效矩阵，

根据F_B得到K个用户的接收信号为：

其中，表示发射信号。由上式可知，设计的基带预编码矩阵可以消除用户间干扰。

③根据求得的F_RF指导预编码网络中移相器的值以及开关的连接情况：对于第k(1≤k≤N_RF)个射频链连接的M个移相器，从上到下分别设为F_RF(:,k)中M个非零元素的值；第m_k(1≤m_k≤M)个移相器通过开关连接到第根天线，其中表示F_RF(:,k)中第m_k个非零值所在的行数。

通过以上步骤，可以得到射频预编码矩阵和基带预编码矩阵，并指导预编码网络中移相器的值和开关的连接情况，实现混合结构的预编码设计。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、由于全连接系统中，每个射频链和所有天线通过移相器连接，系统需要大量的移相器，而我们提出的自适应混合预编码系统中每个射频链只通过少量移相器连接到天线，有效降低了移相器的个数，从而降低了硬件成本；

2、由于根据信道向量设计射频预编码矩阵，将射频预编码矩阵和信道向量最大的M元素匹配，可以提高等效信道的增益，从而提高系统的频谱效率。

附图说明

图1是本发明自适应混合预编码系统的结构示意图，F_RF是硬件结构,F_B可通过软件实现。其中，(1)表示移相器，(2)表示开关，(3)表示天线。

图2系统频谱效率性能对比示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在多用户Massive MIMO下行链路通信中，本发明自适应混合预编码系统的结构如图1所示，不同混合结构对移相器数目需求如表1所示。

结构	全连接	提出的自适应连接	子连接
				移相器数目	N<sub>t</sub>N<sub>RF</sub>	N<sub>t</sub>	N<sub>t</sub>

表1不同结构的移相器数目需求

本发明的基站侧混合预编码设计方法。步骤如下：

1、本实施例自适应混合预编码结构。其中，基站侧配置发端天线数为N_t＝128，射频链数目为N_RF＝8，移相器数目为N_t＝128，每个射频链固定连接到M＝16个移相器，每个移相器通过选择开关自适应连接到单根发射天线；系统同时同频接入的用户数为K＝4，每个用户配置单根天线。

2、本发明自适应混合预编码算法，包括设计射频预编码矩阵使等效信道增益最大，设计基带预编码矩阵消除多用户间的干扰。具体包括如下步骤：

①射频预编码矩阵设计如下：

其中为射频预编码矩阵，*为共轭运算，对于1≤k≤4，表示第k个用户对应的信道向量；对于5≤k≤8，h_k表示h_mo_d(k-1_,4)+1，mod为求余运算。表示一个含16个元素的集合，记为：

其中表示向量|h_k|中所有元素按降序排列的下标集合， 表示向下取整。

②基带预编码矩阵设计如下：

其中，为基带预编码矩阵，为等效矩阵，

根据F_B得到4个用户的接收信号为：

其中，表示发射信号。由上式可知，设计的基带预编码矩阵可以消除用户间干扰。

③根据①中求得的F_RF指导预编码网络中移相器的值以及开关的连接情况：对于第k(1≤k≤8)个射频链连接的16个移相器，从上到下分别设为F_RF(:,k)中16个非零元素的值；第m_k(1≤m_k≤16)个移相器通过开关连接到第根天线，其中表示F_RF(:,k)中第m_k个非零值所在的行数。

通过以上步骤，可以得到射频预编码矩阵和基带预编码矩阵，并指导预编码网络中移相器的值和开关的连接情况，实现混合结构的预编码设计。

本发明的自适应混合预编码方案和传统混合预编码方案的频谱效率性能对比如图2所示。可见，本发明相比子连接有效提高了系统的频谱效率，且性能趋近于全连接的性能。