本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種大規(guī)模mimo系統(tǒng)的信道跟蹤與混合預(yù)編碼方法。

背景技術(shù)：

隨著全球無線通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，移動(dòng)用戶數(shù)量呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，各種移動(dòng)新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)。未來的5g移動(dòng)通信系統(tǒng)不僅需要支持語音功能，還必須支持?jǐn)?shù)字、圖像、多媒體等數(shù)據(jù)傳輸，在傳輸效率和覆蓋范圍等方面較4g提高一個(gè)或多個(gè)量級(jí)滿足10年內(nèi)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000倍的發(fā)展需求。毫米波頻段(30–300ghz)具有豐富的頻譜資源，毫米波與大規(guī)模多輸入多輸出(multipleinputmultipleoutput；mimo)相結(jié)合可以帶來巨大的空間增益、能量效率和頻譜效率，毫米波大規(guī)模mimo成為了下一代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。

毫米波大規(guī)模mimo系統(tǒng)的性能取決于信道狀態(tài)信息的準(zhǔn)確度，信道狀態(tài)信息的獲取是當(dāng)前毫米波大規(guī)模mimo研究的重點(diǎn)問題。在實(shí)際通信中，用戶的持續(xù)運(yùn)動(dòng)使得大規(guī)模mimo信道不斷變化，且對(duì)于大規(guī)模陣列天線系統(tǒng)而言射頻鏈路的數(shù)目往往是有限的，信道時(shí)變和射頻鏈路有限給毫米波大規(guī)模mimo的理論研究和實(shí)際應(yīng)用帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

此外，為了提升傳輸效率、降低功率損耗，在已知信道狀態(tài)信息的情況下，通常在發(fā)送端對(duì)發(fā)送的信號(hào)做一個(gè)預(yù)先的處理，以方便接收機(jī)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，即預(yù)編碼。研究表明，對(duì)于毫米波大規(guī)模mimo系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的線性預(yù)編碼(匹配濾波(matchedfilter；mf)預(yù)編碼、迫零(zeroforcing；zf)預(yù)編碼)的性能即可以達(dá)到非線性預(yù)編碼(臟紙編碼(dirtypapercoding；dpc))的性能。然而，這需要每個(gè)天線有自己獨(dú)自的射頻鏈路，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器,數(shù)模轉(zhuǎn)換器,混頻器和功率放大器等，這對(duì)于大規(guī)模系統(tǒng)而言，系統(tǒng)成本高昂，無法適用。為降低系統(tǒng)成本，基于數(shù)字預(yù)編碼和模擬預(yù)編碼相結(jié)合的混合預(yù)編碼引起了人們的廣泛研究。關(guān)于混合預(yù)編碼的研究主要有兩個(gè)方向：基于優(yōu)化理論的預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)方法和基于離散傅里葉變換(discretefouriertransform；dft)離散格點(diǎn)方向傳輸?shù)幕旌项A(yù)編碼方法?；趦?yōu)化理論的方法計(jì)算復(fù)雜度較高，不易于在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用；基于dft離散格點(diǎn)方向傳輸?shù)姆椒ù嬖谛诺滥芰啃孤兜膯栴}，系統(tǒng)性能差。

因此，在有限射頻鏈路條件下，利用毫米波大規(guī)模mimo自身的結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)相應(yīng)的時(shí)變信道跟蹤與低復(fù)雜度高性能的混合預(yù)編碼方法成為毫米波大規(guī)模mimo在下一代移動(dòng)通信中應(yīng)用的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有的信道跟蹤與預(yù)編碼方法復(fù)雜度較高且性能較差的問題，本發(fā)明提供一種信道跟蹤與混合預(yù)編碼方法及裝置。

一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種信道狀態(tài)信息跟蹤方法，該信道跟蹤方法包括：

根據(jù)入射信號(hào)的角度值和預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測(cè)規(guī)則，確定角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息；

根據(jù)所述角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息，確定信道空間旋轉(zhuǎn)信息。

根據(jù)所述信道空間旋轉(zhuǎn)信息，確定信道狀態(tài)信息。

另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種信號(hào)的混合預(yù)編碼方法，該預(yù)編碼方法包括：

根據(jù)信道狀態(tài)信息，確定模擬預(yù)編碼參數(shù)和數(shù)字預(yù)編碼參數(shù)；所述信道狀態(tài)信息為根據(jù)入射信號(hào)的角度值和預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測(cè)規(guī)則確定的信息；

根據(jù)所述模擬預(yù)編碼參數(shù)和所述數(shù)字預(yù)編碼參數(shù)，對(duì)調(diào)度信號(hào)集合中的多個(gè)調(diào)度信號(hào)進(jìn)行混合預(yù)編碼。

本發(fā)明提供的信道跟蹤與混合預(yù)編碼方法，將信道狀態(tài)信息分解為信道增益信息和信道角度信息，利用用戶終端的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和非線性無跡卡爾曼濾波，可以提升信道角度信息跟蹤的性能；基于預(yù)測(cè)和跟蹤的信道角度信息獲得信道增益信息，可以有效降低信道狀態(tài)信息獲取的訓(xùn)練開銷；此外，基于該信道狀態(tài)信息對(duì)待發(fā)送信號(hào)進(jìn)行混合預(yù)編碼，將信號(hào)傳輸至用戶的真實(shí)角度上，可以降低信號(hào)傳輸所需的射頻鏈路數(shù)目及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件成本，同時(shí)避免信道能量泄露對(duì)系統(tǒng)性能的影響；并且，利用角分多址和角度域傳輸可以提高通信系統(tǒng)的能量效率和頻譜效率，為毫米波大規(guī)模mimo信道跟蹤和信號(hào)傳輸提供了一種切實(shí)可行的解決方案。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的信道狀態(tài)信息跟蹤方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例提供的空間旋轉(zhuǎn)示意圖；

圖3為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的空間旋轉(zhuǎn)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的信道跟蹤的示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的信道角度跟蹤的示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的信道跟蹤均方誤差的趨勢(shì)圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的混合預(yù)編碼方法的流程示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的系統(tǒng)和速率的示意圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的單小區(qū)毫米波大規(guī)模mimo系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明實(shí)施例提供的信道狀態(tài)信息跟蹤方法是基于“saleh-valenzuela”(s-v)信道模型的，該信道模型認(rèn)為用戶終端發(fā)送的入射信號(hào)k與基站間的信道可以表征為：

式中表示入射信號(hào)k的直射徑，增益為為入射信號(hào)k的非直射徑，增益為l為非直射徑的總數(shù)；為大規(guī)模等距線陣(uniformlineararray；ula)的導(dǎo)向矢量，其第n個(gè)元素可以表示為：

式中為第l條入射徑的角度值，λ為波長(zhǎng)，d為天線陣元間距。

基于該s-v信道模型，信道狀態(tài)信息由信道角度信息和信道增益信息完全確定。因此，信道跟蹤可以轉(zhuǎn)換為信道角度信息的跟蹤和信道增益信息的估計(jì)。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的信道狀態(tài)信息跟蹤(以下簡(jiǎn)稱信道跟蹤)方法的流程示意圖。如圖1所示，該方法包括以下步驟：

步驟101、根據(jù)入射信號(hào)的角度值和預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測(cè)規(guī)則，確定角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息；

步驟102、根據(jù)所述角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息，確定信道空間旋轉(zhuǎn)信息；

步驟103、根據(jù)所述信道空間旋轉(zhuǎn)信息，確定信道狀態(tài)信息。

具體地，首先，根據(jù)入射信號(hào)的角度值和預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測(cè)規(guī)則，確定角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息；其次，根據(jù)該角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息，確定信道空間旋轉(zhuǎn)信息；最后，根據(jù)所述信道空間旋轉(zhuǎn)信息，確定信道狀態(tài)信息。

用戶終端與基站之間的信號(hào)，無論是用戶終端發(fā)送信號(hào)至基站的上行信號(hào)，還是基站發(fā)送至用戶終端的下行信號(hào)，均為入射信號(hào)。入射信號(hào)的角度值是指從用戶終端發(fā)出的信號(hào)到達(dá)基站的到達(dá)角數(shù)值；或者從基站發(fā)出的信號(hào)到達(dá)用戶終端的到達(dá)角數(shù)值。

信道空間旋轉(zhuǎn)信息是用于描述信道狀態(tài)信息的物理量，將在下面的實(shí)施例中進(jìn)行詳細(xì)描述，此處不再贅述。

本發(fā)明實(shí)施例提供的信道跟蹤方法，基于s-v模型，將信道狀態(tài)信息的跟蹤轉(zhuǎn)化為信道角度信息的跟蹤和信道增益信息的估計(jì)，從而利用用戶的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和非線性無跡卡爾曼濾波，提升信道角度信息跟蹤的性能，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息，方法簡(jiǎn)單。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，該信道跟蹤方法中的步驟101：所述根據(jù)入射信號(hào)的角度值和預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測(cè)規(guī)則，確定角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息，包括：

根據(jù)入射信號(hào)的角度值，確定角度狀態(tài)初始信息；

根據(jù)所述角度狀態(tài)初始信息，確定角度采樣點(diǎn)；

根據(jù)所述角度采樣點(diǎn)和所述預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測(cè)規(guī)則，確定角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息。

具體地，首先，根據(jù)入射信號(hào)的角度值，確定角度狀態(tài)初始信息；其次，根據(jù)該角度狀態(tài)初始信息，確定角度采樣點(diǎn)；之后，根據(jù)該角度采樣點(diǎn)和預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測(cè)規(guī)則，確定角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息；接下來的步驟與上述實(shí)施例相同，最終得到信道狀態(tài)信息，此處不再贅述。

角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息可以包括：入射信號(hào)的角速度、入射信號(hào)的角加速度以及協(xié)方差矩陣，該協(xié)方差矩陣用于描述當(dāng)前采樣時(shí)刻與前一采樣時(shí)刻的角度狀態(tài)信息之間的相關(guān)性；根據(jù)所述角度狀態(tài)初始信息，確定角度采樣點(diǎn)，該角度采樣點(diǎn)滿足：當(dāng)前采樣時(shí)刻的角度狀態(tài)信息與前一采樣時(shí)刻的角度狀態(tài)信息具有相同的統(tǒng)計(jì)特性，例如相同的協(xié)方差。

在實(shí)際應(yīng)用中，信道狀態(tài)信息的獲取是需要跟蹤多個(gè)入射信號(hào)的，多個(gè)入射信號(hào)的跟蹤過程是一致的，為了清楚地描述，本發(fā)明實(shí)施例提供的信道跟蹤方法以跟蹤其中的入射信號(hào)k作為舉例。

例如，在通信初始階段，在初始的前三個(gè)時(shí)刻，基于有限的射頻鏈路使用波束掃描的方法進(jìn)行波束訓(xùn)練，得到入射信號(hào)k直射徑上的角度值根據(jù)角度值可得無跡卡爾曼濾波的角度狀態(tài)量為：

式中：為采樣時(shí)刻m入射信號(hào)k的角度狀態(tài)量，為采樣時(shí)刻m入射信號(hào)k直射徑上的角速度，為采樣時(shí)刻m入射信號(hào)k直射徑上的角加速度；t為系統(tǒng)采樣時(shí)間，為系統(tǒng)能夠同時(shí)調(diào)度的入射信號(hào)的數(shù)量，以下稱調(diào)度信號(hào)的數(shù)量。

同時(shí)，協(xié)方差矩陣設(shè)置為：

pk(m)＝0，m＝1，2，3.

然后根據(jù)上述角度狀態(tài)初始信息：角度狀態(tài)量及協(xié)方差矩陣，確定角度采樣點(diǎn)；即當(dāng)m≤4時(shí)，基于無跡變換和超球體采樣規(guī)則構(gòu)造角度采樣點(diǎn)，使角度采樣點(diǎn)與前一時(shí)刻角度狀態(tài)量和協(xié)方差矩陣pm-1具有相同的統(tǒng)計(jì)特性。

對(duì)于i＝0，

對(duì)于i＝1，...，μ+1，

式中：μ為角度狀態(tài)量的個(gè)數(shù)，為超球體采樣規(guī)則系數(shù)，i表示角度采樣點(diǎn)數(shù)字排序，從i＝0開始排序。

根據(jù)上述角度采樣點(diǎn)，采用預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測(cè)規(guī)則，可得預(yù)測(cè)的角度采樣點(diǎn)為：

根據(jù)基于無跡卡爾曼濾波，可得預(yù)測(cè)的角度狀態(tài)量為：

其次，根據(jù)預(yù)測(cè)的角度狀態(tài)量可得預(yù)測(cè)的協(xié)方差矩陣為：

式中，wi為無跡卡爾曼濾波系數(shù)，t為預(yù)設(shè)的采樣時(shí)間，為系統(tǒng)噪聲。

在上述各實(shí)施例的基礎(chǔ)上，該信道跟蹤方法中的步驟102：根據(jù)所述角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息，確定信道空間旋轉(zhuǎn)信息，包括：

根據(jù)所述角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息，確定信道空間分布信息；

根據(jù)所述信道空間分布信息，確定所述信道空間旋轉(zhuǎn)信息。

具體地，首先，確定角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息；其次，根據(jù)該角度狀態(tài)信息，確定信道空間分布信息；之后，根據(jù)該信道空間分布信息，確定所述信道空間旋轉(zhuǎn)信息，從而確定信道狀態(tài)信息。

空間分布信息是用來描述通過入射信號(hào)k所獲得的信道角度信息的物理量，將在下面的實(shí)施例中進(jìn)行詳細(xì)描述，此處不再贅述。

由上述實(shí)施例可以看出，通過獲取信道空間分布信息，從而得到信道空間旋轉(zhuǎn)信息，從而用于集中信號(hào)能量，如此可降低波束訓(xùn)練開銷，提高信道跟蹤性能。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，該信道跟蹤方法中的根據(jù)所述角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息，確定信道空間分布信息，包括：

根據(jù)所述角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息和預(yù)設(shè)的信道支撐點(diǎn)預(yù)測(cè)規(guī)則，確定信道預(yù)測(cè)支撐點(diǎn)；

根據(jù)所述信道預(yù)測(cè)支撐點(diǎn)，確定信道空間分布信息。

具體地，首先，確定角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息；其次，根據(jù)該角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息和預(yù)設(shè)的信道支撐點(diǎn)預(yù)測(cè)規(guī)則，確定信道預(yù)測(cè)支撐點(diǎn)；之后，根據(jù)該信道預(yù)測(cè)支撐點(diǎn)，確定信道空間分布信息；接下來，根據(jù)該空間分布信息，確定信道空間旋轉(zhuǎn)信息，從而確定信道狀態(tài)信息。

若已知角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息，利用預(yù)設(shè)的信道支撐點(diǎn)預(yù)測(cè)規(guī)則獲得下一時(shí)間段內(nèi)用戶的空間分布信息。假設(shè)信道是由多個(gè)支撐點(diǎn)構(gòu)成的，當(dāng)用戶在小區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，信道能量擴(kuò)散至相鄰的支撐點(diǎn)，每個(gè)用戶采用一個(gè)支撐點(diǎn)傳輸。事實(shí)上，基站僅通過接收數(shù)據(jù)是無法獲得角度的觀測(cè)值的，但是通過角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息可以得到一個(gè)預(yù)測(cè)的空間信息集合，而信道多數(shù)能量將分布在此集合中。

例如，已知角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息為：和基于無跡卡爾曼濾波，獲得μ+2個(gè)觀測(cè)量采樣點(diǎn)

對(duì)于i＝0，

對(duì)于i＝1，...，μ+1，

式中

根據(jù)觀測(cè)量采樣點(diǎn)根據(jù)預(yù)設(shè)的信道支撐點(diǎn)預(yù)測(cè)規(guī)則，可得預(yù)測(cè)的觀測(cè)量采樣點(diǎn)為：

觀測(cè)量采樣點(diǎn)代表了信道支撐點(diǎn)的可能出現(xiàn)位置，取其均值作為信道預(yù)測(cè)支撐點(diǎn)，表示為：

根據(jù)上述信道預(yù)測(cè)支撐點(diǎn)和預(yù)設(shè)的空間信息集合長(zhǎng)度bmax,可得信道空間分布信息，本發(fā)明實(shí)施例中的信道空間分布信息采用一空間信息集合表示：

之后，則根據(jù)該空間信息集合，確定信道空間旋轉(zhuǎn)信息：

首先，確定為波束訓(xùn)練集合，其中sb，k為用戶終端k的空間信息集合第b個(gè)支撐點(diǎn)的導(dǎo)頻符號(hào)。基于所有調(diào)度的用戶終端的空間信息集合不同，即基于角分多址，支撐點(diǎn)訓(xùn)練可以采用相同的導(dǎo)頻符號(hào)sb，k＝s，且滿足

其次，基于上述波束訓(xùn)練集合，假設(shè)基站接收的信號(hào)為y^u(m)，并且該信號(hào)可以表示為：

式中：為用戶終端k的訓(xùn)練功率約束，w(m)為噪聲向量滿足分布y^u(m)為基站接收到的用戶終端k采樣時(shí)刻m發(fā)送的信號(hào)數(shù)據(jù)。

根據(jù)上式可知，信道跟蹤的基本原理如下：已知信號(hào)y^u(m)、噪聲及波束訓(xùn)練集合s，可以確定信道狀態(tài)信息hk(m)。

但是，基于傳統(tǒng)的波束訓(xùn)練集合s確定信道狀態(tài)信息的方法，由于一個(gè)用戶終端就需要多個(gè)(大于個(gè))信道支撐點(diǎn)來傳輸數(shù)據(jù)，而信道跟蹤時(shí)，上面也提到過，需要跟蹤多個(gè)入射信號(hào)，這些入射信號(hào)均需要重復(fù)波束訓(xùn)練的過程，因此造成訓(xùn)練開銷極大。

所以，本發(fā)明則通過第一次空間旋轉(zhuǎn)，將每個(gè)用戶終端的射頻鏈路均降至個(gè)支撐點(diǎn)，從而降低訓(xùn)練開銷。

基于上述步驟確定的信道空間分布信息，確定第一空間旋轉(zhuǎn)參數(shù)，此時(shí)需要用到空間旋轉(zhuǎn)規(guī)則：

并確定第一空間旋轉(zhuǎn)矩陣如下：

其中：為上述實(shí)施例中根據(jù)角度采樣點(diǎn)確定的角度狀態(tài)量該第一空間旋轉(zhuǎn)參數(shù)分布在范圍內(nèi)；表示信道支撐點(diǎn)，又可稱為信道預(yù)測(cè)支撐點(diǎn)，如果信道預(yù)測(cè)支撐點(diǎn)的幅值不為零，則又稱為信道有效支撐點(diǎn)。

在本實(shí)施例中，空間旋轉(zhuǎn)信息用上述第一空間旋轉(zhuǎn)矩陣表示。根據(jù)該空間旋轉(zhuǎn)信息，從而確定信道狀態(tài)信息。

在上述各實(shí)施例的基礎(chǔ)上，該信道跟蹤方法中的步驟103：根據(jù)所述信道空間旋轉(zhuǎn)信息，確定信道狀態(tài)信息，包括：

根據(jù)所述信道空間旋轉(zhuǎn)信息，確定信道有效支撐點(diǎn)和信道增益信息；

根據(jù)所述信道有效支撐點(diǎn)和所述信道增益信息，確定所述信道狀態(tài)信息。

具體地，首先，確定角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息；其次根據(jù)該角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息，確定信道空間旋轉(zhuǎn)信息；根據(jù)該空間旋轉(zhuǎn)信息，確定信道有效支撐點(diǎn)和信道增益信息，從而得到信道狀態(tài)信息。

例如，已知空間旋轉(zhuǎn)信息，即空間旋轉(zhuǎn)矩陣為并且基站接收到的信號(hào)為y^u(m)，則可以根據(jù)下式獲得空間信息集合第j個(gè)支撐點(diǎn)的增益信息為：

其中：為導(dǎo)頻污染，在角分多址機(jī)制下其取值較小可以忽略。

因此，空間信息集合的增益信息為：

由于，信道多數(shù)能量分布于空間信息集合內(nèi)，因此上述空間信息集合的增益信息就等價(jià)于信道增益信息，則信道可以重建為：

可選地，為了得到更準(zhǔn)確地信道狀態(tài)信息并且降低訓(xùn)練開銷，根據(jù)重建信道z，可通過第二次空間旋轉(zhuǎn)將信道能量集中于一個(gè)幅值最大的信道有效支撐點(diǎn)：

式中：是第二次空間旋轉(zhuǎn)參數(shù)，分布在范圍內(nèi)，可以通過在上述分布范圍內(nèi)搜索得到。

根據(jù)該幅值最大的有效支撐點(diǎn)由下式獲得該支撐點(diǎn)的信道增益信息：

最后，根據(jù)該有效支撐點(diǎn)和該信道增益信息可得信道狀態(tài)信息為：

本發(fā)明實(shí)施例提供的信道跟蹤方法，利用用戶的運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)現(xiàn)對(duì)入射信號(hào)角度的跟蹤，基于少量導(dǎo)頻實(shí)現(xiàn)對(duì)信道的跟蹤，避免了傳統(tǒng)基于信道協(xié)方差矩陣信道估計(jì)的時(shí)間開銷和能量開銷，極大地降低了訓(xùn)練開銷。

本發(fā)明實(shí)施例中的空間旋轉(zhuǎn)是指將信道hk轉(zhuǎn)換為空間旋轉(zhuǎn)信道

式中：為空間旋轉(zhuǎn)矩陣，φk為空間旋轉(zhuǎn)參數(shù)且分布在范圍內(nèi)；u為傅里葉變換dft矩陣。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的空間旋轉(zhuǎn)示意圖。如圖2所示，一個(gè)射頻鏈路可以看作是一個(gè)信道支撐點(diǎn)?？臻g旋轉(zhuǎn)前，一個(gè)用戶終端需要多個(gè)支撐點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)傳輸；空間旋轉(zhuǎn)后，一個(gè)用戶終端僅需要一個(gè)支撐點(diǎn)就足夠了，即通過空間旋轉(zhuǎn)，基站可以將待發(fā)送信號(hào)發(fā)送至用戶終端的真實(shí)角度上，使得每個(gè)用戶終端需要的射頻鏈路降至1，極大地提高了射頻鏈路的利用率。

圖3為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的空間旋轉(zhuǎn)示意圖。如圖3所示，空間旋轉(zhuǎn)前，信道能量集中分布在大約5個(gè)信道支撐點(diǎn)上；空間旋轉(zhuǎn)后，信道能量的93％集中分布在一個(gè)信道有效支撐點(diǎn)上，即通過空間旋轉(zhuǎn)可以集中信道能量，從而得到更加準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息。

根據(jù)上述實(shí)施例可以看到，該信道跟蹤方法基于預(yù)測(cè)和跟蹤的信道角度信息進(jìn)行波束訓(xùn)練和兩次空間旋轉(zhuǎn)，獲得信道增益信息，有效降低信道狀態(tài)信息獲取的訓(xùn)練開銷。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的信道跟蹤的示意圖。如圖4所示，該圖中示意了兩個(gè)用戶終端：用戶1和用戶2；兩個(gè)用戶終端之間有角度保護(hù)間隔(guardinterval)。兩個(gè)用戶終端的信道跟蹤過程是相同的，下面以用戶1的信道跟蹤作為舉例說明。圖中所示的波束跟蹤與訓(xùn)練、信道增益計(jì)算、數(shù)據(jù)傳輸、預(yù)測(cè)及空間旋轉(zhuǎn)分別表示信道跟蹤過程中的操作步驟。

波束跟蹤與訓(xùn)練：根據(jù)入射信號(hào)的角度值，確定角度初始狀態(tài)信息；根據(jù)所述角度狀態(tài)初始信息、預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測(cè)規(guī)則，確定角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息；根據(jù)所述角度狀態(tài)預(yù)測(cè)信息，確定信道空間分布信息，即圖中所示和

信道增益計(jì)算：根據(jù)信道空間分布信息，利用波束訓(xùn)練和空間旋轉(zhuǎn)獲得信道增益信息。

數(shù)據(jù)傳輸：獲得完整的信道信息后，利用角度域混合預(yù)編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

在上述各實(shí)施例的基礎(chǔ)上，該信道跟蹤方法中的預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測(cè)規(guī)則為：

ψk(m)＝φψk(m-1)+ωk(m)，

其中，ψk(m)、ψk(m-1)表示入射信號(hào)k在當(dāng)前采樣時(shí)刻m及其前一采樣時(shí)刻m-1的角度狀態(tài)量，ωk(m)為當(dāng)前采樣時(shí)刻m伴隨入射信號(hào)k的系統(tǒng)噪聲，其中t為預(yù)設(shè)的采樣時(shí)間。

在上述各實(shí)施例的基礎(chǔ)上，該信道跟蹤方法中的所述預(yù)設(shè)的信道支撐點(diǎn)預(yù)測(cè)規(guī)則包括：

信道支撐點(diǎn)第一預(yù)測(cè)規(guī)則

及信道支撐點(diǎn)第二預(yù)測(cè)規(guī)則：

其中，表示信道預(yù)測(cè)支撐點(diǎn)，φk(m)為空間旋轉(zhuǎn)參數(shù)，為當(dāng)前采樣時(shí)刻m入射信號(hào)k直射徑上的角度值，uk(m)為當(dāng)前采樣時(shí)刻m伴隨入射信號(hào)k的量測(cè)噪聲，λ為波長(zhǎng)，n為天線數(shù)，d為天線陣元間距。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的信道角度跟蹤的示意圖。如圖5所示，橫軸為時(shí)間塊索引，縱軸為角度誤差。圖中分別示出了線性運(yùn)動(dòng)和非線性運(yùn)動(dòng)下不同空間信息集合長(zhǎng)度下的角度信息的準(zhǔn)確率的變化趨勢(shì)。可以看出，在空間信息集合長(zhǎng)度相同的情況下，無論是線性運(yùn)動(dòng)還是非線性運(yùn)動(dòng)，角度誤差均較??；并且隨著空間信息集合長(zhǎng)度的增加，角度誤差越來越小。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的信道跟蹤均方誤差的趨勢(shì)圖。如圖6所示，橫軸為信噪比，縱軸為信道平均誤差。圖中示出了不同空間信息集合長(zhǎng)度下的信道平均誤差的變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，在信噪比相同的情況下，空間信息集合長(zhǎng)度越大，信道平均誤差越小，即獲取的信道狀態(tài)信息則越準(zhǔn)確。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的混合預(yù)編碼方法的流程示意圖。如圖7所示，該混合預(yù)編碼方法包括以下步驟：

步驟701、根據(jù)信道狀態(tài)信息，確定模擬預(yù)編碼參數(shù)和數(shù)字預(yù)編碼參數(shù)；所述信道狀態(tài)信息為根據(jù)入射信號(hào)的角度值和預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測(cè)規(guī)則確定的信息；

步驟702、根據(jù)所述模擬預(yù)編碼參數(shù)和所述數(shù)字預(yù)編碼參數(shù)，對(duì)調(diào)度信號(hào)集合中的多個(gè)調(diào)度信號(hào)進(jìn)行混合預(yù)編碼。

具體地，首先，基于信道狀態(tài)信息，確定模擬預(yù)編碼參數(shù)和數(shù)字預(yù)編碼參數(shù)；該信道狀態(tài)信息為根據(jù)入射信號(hào)的角度值和預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測(cè)規(guī)則確定的信息，即基于上述信道跟蹤方法確定的信道狀態(tài)信息。之后，基于上述兩種預(yù)編碼參數(shù)，對(duì)調(diào)度信號(hào)集合中的多個(gè)調(diào)度信號(hào)進(jìn)行混合預(yù)編碼。

基于該信道跟蹤方法獲得信道狀態(tài)信息，進(jìn)行混合預(yù)編碼，與傳統(tǒng)的預(yù)編碼方法相比，由于簡(jiǎn)化了每個(gè)調(diào)度信號(hào)的信道矩陣，從而降低了預(yù)編碼的復(fù)雜度；并且通過集中信號(hào)能量，降低了能量泄露，提高了系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的性能。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，該預(yù)編碼方法中的所述調(diào)度信號(hào)集合根據(jù)下式確定：

其中，表示入射信號(hào)，θm和θl分別表示入射徑m和l上的入射信號(hào)的角度值，ω表示預(yù)設(shè)的角度保護(hù)間隔。

具體地，每個(gè)調(diào)度信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的角度值；不同的調(diào)度信號(hào)之間具有一個(gè)角度保護(hù)間隔，用來防止信號(hào)間的干擾。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，該混合預(yù)編碼方法中的模擬預(yù)編碼根據(jù)下式確定：

其中：u為傅里葉變換矩陣，為空間旋轉(zhuǎn)矩陣；為調(diào)度信號(hào)的數(shù)量，及為信道狀態(tài)信息，λ為波長(zhǎng)，n為天線數(shù)，d為天線陣元間距。

具體地，基于信道狀態(tài)信息設(shè)計(jì)模擬預(yù)編碼參數(shù)和數(shù)字預(yù)編碼參數(shù)。根據(jù)角分多址機(jī)制，模擬預(yù)編碼參數(shù)設(shè)置為：

在實(shí)際應(yīng)用中，模擬預(yù)編碼矩陣的每一列代表每一個(gè)用戶終端入射信號(hào)的角度方向矢量，可以由個(gè)移相器實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)角分多址機(jī)制，利用數(shù)字預(yù)編碼參數(shù)消除用戶間干擾，數(shù)字預(yù)編碼參數(shù)設(shè)置為：

式中：用以滿足功率限制，為角度域等效信道。

基于上述模擬預(yù)編碼參數(shù)和模擬預(yù)編碼參數(shù)，將調(diào)度信號(hào)進(jìn)行混合預(yù)編碼，從而將調(diào)度信號(hào)傳輸至用戶終端的真實(shí)角度方向上。因此，用戶終端的接收信號(hào)可以表示為：

式中：為根據(jù)上述信道跟蹤方法獲取的信道狀態(tài)信息，s是個(gè)用戶的維信號(hào)向量，即調(diào)度信號(hào)，滿足是加性白噪聲向量。

系統(tǒng)和速率根據(jù)下式確定：

其中，sinrk表示調(diào)度信號(hào)的信干噪比，為通信網(wǎng)絡(luò)中所有入射信號(hào)的總能量，表示入射信號(hào)，為調(diào)度信號(hào)的數(shù)量。

具體地，通過統(tǒng)計(jì)通信網(wǎng)絡(luò)中所有入射信號(hào)，可以獲取入射信號(hào)的總能量p；基于角分多址，基站能夠同時(shí)調(diào)度的入射信號(hào)是有限的，即表示調(diào)度信號(hào)的數(shù)量。

基于上述模擬預(yù)編碼和數(shù)字預(yù)編碼，系統(tǒng)的信干噪比的表達(dá)式為：

式中：pi為數(shù)字預(yù)編碼矩陣p的第i列，γk為信噪比。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的系統(tǒng)和速率的示意圖。如圖8所示，橫軸為信噪比，縱軸為系統(tǒng)和速率。圖中分別示出了三種信道預(yù)編碼方法下的系統(tǒng)和速率的變化趨勢(shì)。由圖8可知，本發(fā)明的混合預(yù)編碼方法具有良好的能量效率，系統(tǒng)的和速率遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的基于波束選擇的混合預(yù)編碼方法，并且基本接近全數(shù)字預(yù)編碼方法。

由上述實(shí)施例可以看到，基站通過空間旋轉(zhuǎn)將信號(hào)傳輸至用戶終端的真實(shí)角度上，降低了信號(hào)傳輸所需的射頻鏈路數(shù)目，從而降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件成本，同時(shí)避免了信道能量泄露對(duì)系統(tǒng)性能的影響；另外，利用角分多址和角度域傳輸信號(hào)提高了系統(tǒng)的能量效率和頻譜效率。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的單小區(qū)毫米波大規(guī)模mimo系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。為了與傳統(tǒng)mimo系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)分，用“基站”表示本發(fā)明實(shí)施例提供的大規(guī)模mimo系統(tǒng)。

如圖9所示，基站配置了大規(guī)模等距線陣(uniformlineararray；ula)，天線陣元數(shù)量為n，小區(qū)內(nèi)隨機(jī)均勻地分布著k個(gè)單天線用戶終端，該基站的射頻鏈路(radiofrequencychains；rfchains)模塊由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(digital-analogconverter；dac)、混頻器(mixer)及濾波器(filter)組成，射頻鏈路數(shù)目為nrf，且nrf＜＜n；射頻鏈路的前端為數(shù)字預(yù)編碼模塊，s(1)至s(k)表示入射信號(hào)；射頻鏈路的后端為模擬預(yù)編碼模塊。

需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例提供的mimo系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)上述信道跟蹤和混合預(yù)編碼方法的，具體功能可參考上述方法實(shí)施例，此處不再贅述。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。