一种用于波束偏移补偿的混合预编码方法及系统
阅读说明：本技术 一种用于波束偏移补偿的混合预编码方法及系统 (Hybrid precoding method and system for beam offset compensation ) 是由 彭薇 朱爱民 谢一梅 江涛 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于波束偏移补偿的混合预编码方法及系统,属于毫米波大规模多天线技术领域。方法包括以下步骤：通过平均子载波信道获得频率无关的平均信道矩阵；对平均信道矩阵进行相位提取得到模拟预编码矩阵,并满足模拟预编码的恒模约束条件；将模拟预编码作用后的信道视为等效信道,并对该等效信道使用迫零预编码算法得到数字预编码矩阵；模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵相乘即得到最终的混合预编码矩阵。本发明能够获得一定程度的波束偏移补偿效果,同时具有设计简单、系统开销和计算复杂度小的优点。(The invention discloses a hybrid precoding method and a hybrid precoding system for beam offset compensation, and belongs to the technical field of millimeter wave large-scale multi-antenna. The method comprises the following steps: obtaining a frequency-independent average channel matrix through an average subcarrier channel; carrying out phase extraction on the average channel matrix to obtain a simulation pre-coding matrix, and meeting the constant modulus constraint condition of simulation pre-coding; taking the channel after the analog precoding effect as an equivalent channel, and obtaining a digital precoding matrix by using a zero-forcing precoding algorithm on the equivalent channel; and multiplying the analog precoding matrix and the digital precoding matrix to obtain a final mixed precoding matrix. The invention can obtain a certain degree of beam deviation compensation effect and has the advantages of simple design and low system overhead and calculation complexity.)
技术领域
本发明属于毫米波大规模多天线技术领域，更具体地，涉及一种用于波束偏移补偿的混合预编码方法及系统。
背景技术
毫米波频段蕴含着巨大的频谱带宽资源，使得毫米波技术成为解决当前无线通信频谱资源稀缺问题的备选方案之一。在毫米波大规模多天线(Multi-Input Multi-Output,MIMO)通信系统中，随着带宽和阵列尺寸的增加，天线阵列上电磁波信号的传输延迟与符号周期相当，不能被忽略，这一现象称为空间宽带效应(Spatial-Wideband Effect)。空间宽带效应还会导致频域中的波束偏移(Beam Squint)，波束偏移的程度与空间宽带效应的水平成正比。传统的窄带通信模型往往只考虑多径时延扩展引发的频率选择性衰落问题，而忽略了空间宽带效应和波束偏移现象对通信系统性能的影响。事实上，空间宽带效应和波束偏移现象会导致系统性能严重下降。
在考虑空间宽带效应和波束偏移现象的宽带修正信道模型中，只需要对每一个子载波设计相应的数字预编码方案，就可以较为完美的补偿波束偏移对通信系统带来的影响，从而提升系统的整体性能。但是，由于毫米波通信系统中一般采用的是硬件成本较低的混合预编码方案，而基于移相器的模拟预编码设计部分无法对每个子载波单独设计预编码矩阵，即毫米波大规模MIMO系统无法对每个子载波单独进行波束偏移补偿。由此，毫米波大规模MIMO系统需要一种可以在整体上补偿波束偏移的混合预编码方案。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或不足，本发明提供一种用于波束偏移补偿的混合预编码方法及系统，旨在克服现有数字预编码补偿方案存在的硬件成本高、计算复杂度高等技术问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供一种用于波束偏移补偿的混合预编码方法，所述方法包括以下步骤：
(1)对各个子载波的信道矩阵H[k]求平均，得到一个频率无关的平均信道矩阵
(2)提取平均信道矩阵的相位得到模拟预编码矩阵WRF，并通过相位提取操作使模拟预编码矩阵满足恒模约束；
(3)将模拟预编码矩阵作用后的信道视为等效信道Heq，对Heq使用迫零预编码算法得到数字预编码矩阵WBB；
(4)模拟预编码矩阵WRF与数字预编码矩阵WBB相乘得到混合预编码矩阵WPZF。
优选地，步骤(1)所述平均信道矩阵为不同频率上的子载波信道矩阵的平均值，每个子载波上的信道矩阵可以通过信道估计或信道预测等方式获取。
优选地，步骤(2)在对平均信道矩阵进行相位提取操作后，还需要除以发送天线数目Nt的平方根以满足预编码矩阵的归一化，即模拟预编码矩阵
优选地，步骤(3)中的等效信道为Heq＝HWRF，然后对Heq使用迫零预编码算法得到数字预编码矩阵其中，H为载波中心频率的信道矩阵。
本发明另一方面提供了一种用于波束偏移补偿的混合预编码系统，包括：
平均信道矩阵获取模块，用于对各个子载波的信道矩阵H[k]求平均，得到一个频率无关的平均信道矩阵
模拟预编码矩阵获取模块，用于提取平均信道矩阵的相位得到模拟预编码矩阵WRF，并通过相位提取操作使模拟预编码矩阵满足恒模约束；
数字预编码矩阵获取模块，用于将模拟预编码矩阵作用后的信道视为等效信道Heq，对Heq使用迫零预编码算法得到数字预编码矩阵WBB；
混合预编码矩阵获取模块，用于模拟预编码矩阵WRF与数字预编码矩阵WBB相乘得到混合预编码矩阵WPZF
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、对于传统的毫米波大规模MIMO系统混合预编码方法，仅通过中心频率处的信道矩阵设计混合迫零预编码矩阵，则在高带宽OFDM系统中，子载波之间的大带宽将导致明显的波束偏移，即距离中心频率较远的子载波的波束指向会偏离用户，用户端的信噪比降低，系统容量降低。本发明通过子载波平均信道而非中心频率处信道来设计迫零混合预编码矩阵，可以有效改善距离中心频率较远的子载波的波束偏离目标用户，提高信噪比，从而实现提高系统容量的技术效果；
2、与采用数字预编码的波束偏移补偿方案相比，本发明设计方法具有硬件成本低、系统开销小的优点。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于波束偏移补偿的混合预编码方法的流程图；
图2为本发明实施例在不同天线数目下的波束偏移补偿效果图；
图3为本发明实施例在不同带宽和SNR下的波束偏移补偿效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1所示为本发明一种用于波束偏移补偿的混合预编码方法的流程图，具体包括以下步骤：
(1)通过信道估计或信道预测等方式获取不同频率上子载波的信道状态信息，然后对各个子载波的信道矩阵H[k]求平均，得到一个频率无关的平均信道矩阵
(2)提取平均信道矩阵的相位得到模拟预编码矩阵WRF，通过相位提取操作使模拟预编码矩阵满足恒模约束，并除以发送天线数目Nt的平方根以满足预编码矩阵的归一化，即模拟预编码矩阵
(3)将模拟预编码矩阵作用后的信道视为等效信道Heq＝HWRF，对Heq使用迫零预编码算法得到数字预编码矩阵
(4)模拟预编码矩阵WRF与数字预编码矩阵WBB相乘得到混合预编码矩阵WPZF。
实施例
考虑一个毫米波大规模MIMO系统，其中载波中心频率fc＝28GHz，带宽为100MHz，发送天线Nt＝8，接收天线Nr＝[8:16:152]，天线间距d为中心载频波长λc的一半，路径数目Np＝8，到达角(Angle of Arrival,AoA)和离开角(Angle of Departure,AoD)均在范围(-π,π)内随机产生，子载波数目K＝128。将本发明提供的一种用于波束偏移补偿的混合预编码方法应用于该系统，补偿毫米波大规模MIMO系统中的波束偏移现象，从而提升系统容量。具体包括以下步骤：
(1)通过对不同频率上子载波的信道状态信息H[k]求平均，得到一个频率无关的等效信道
(2)提取平均信道矩阵的相位得到模拟预编码矩阵WRF，通过相位提取操作使模拟预编码矩阵满足恒模约束，并除以发送天线数目Nt的平方根以满足预编码矩阵的归一化，即模拟预编码矩阵
(3)将模拟预编码矩阵作用后的信道视为等效信道Heq＝HWRF，对Heq使用迫零预编码算法得到数字预编码矩阵
(4)模拟预编码矩阵WRF与数字预编码矩阵WBB相乘得到混合预编码矩阵WPZF。
图2所示为本发明提供的一种用于波束偏移补偿的混合预编码方法在不同天线数目下的波束偏移补偿效果图，其中信噪比(Signal to Noise power Ratio,SNR)设置为20dB。如图2所示，不对波束偏移进行补偿组的系统容量在接收天线数目为8到72的区间内，得益于MIMO系统天线维度增大带来的空间自由度提升等好处，通信系统的系统容量在逐渐增加。但是，当天线维度进一步增加时，增加的天线不能为该系统带来更高的信道增益，反而会引入空间宽带和波束偏移现象。从图2中也可以看出，随着天线数目的进一步增大，大约在88以后，系统容量逐渐下降，这是由于天线数量增加导致波束偏移程度增大造成的。而本发明设计的一种与载波频率无关的波束偏移补偿方法，提供了相移迫零(Phase-shifting Zero Force,PZF)混合预编码方案，整体上的系统容量明显高于不补偿组。在接收天线数目为40到72的区间内，平均补偿组相对不补偿组系统容量提升了30％左右，在接收天线数目为120到136的区间内，平均补偿组的提升效果也有8％以上。可见本发明设计方法的对毫米波大规模MIMO系统中的波束偏移有着一定的补偿效果。
图3所示为本发明方法一种用于波束偏移补偿的混合预编码方法在不同带宽和SNR下的波束偏移补偿效果图，其中接收天线数目Nr＝128，三组带宽分别设置为100MHz、1GHz和4GHz。如图3所示，每组带宽下均有平均子信道补偿组的系统容量高于不补偿组的系统容量。以SNR为20dB为例，当带宽为100MHz时，本发明提供的方法的系统容量相对于不进行波束偏移补偿的对照组提升了10％；当带宽为1GHz时，本发明方法的系统容量相对于对照组提升了19％；当带宽为4GHz时，本发明方法的系统容量相对于对照组提升了42％。可见更大的带宽会给毫米波大规模MIMO系统带来更严重的波束偏移，而本发明设计的一种用于波束偏移补偿的混合预编码方法的效果也相对更明显。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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