本發(fā)明涉及一種基于迫零的毫米波通信系統(tǒng)混合預(yù)編碼方法，屬于無線通信預(yù)編碼技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

多輸入多輸出技術(shù)(multiple-inputmultiple-output，mimo)是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，信號(hào)通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線進(jìn)行傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，給系統(tǒng)帶來額外的分集和復(fù)用增益。無論是單用戶mimo或是多用戶mimo系統(tǒng)，一個(gè)基本問題就是消除數(shù)據(jù)流之間或是用戶信號(hào)之間的干擾。

為了解決上述基本問題，目前的處理方法主要是利用信道信息csi對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼處理，從而消除同一用戶的數(shù)據(jù)流之間或不同用戶的信號(hào)之間的干擾。傳統(tǒng)的預(yù)編碼方法分為線性和非線性的，線性預(yù)編碼主要有迫零(zeroforcing,zf)和最小均方誤差(minimummeansquareerror,mmse)等。

在未來幾年內(nèi)，人們對(duì)于通信速率等性能方面的要求將成百上千倍增長(zhǎng)，毫米波系統(tǒng)因其能夠提供新的較大的帶寬而受到人們的普遍關(guān)注。最近研究表明，毫米波系統(tǒng)可以提供gpgs級(jí)別的傳輸速率，且由于其波長(zhǎng)很短，所以可以在很小的面積內(nèi)部署大規(guī)模的天線陣列。但是毫米波系統(tǒng)同時(shí)存在路徑損耗過高、散射能力差等缺點(diǎn)。為了克服這些缺點(diǎn)，利用大規(guī)模的天線陣列進(jìn)行波束賦形和預(yù)編碼成為必然的選擇。傳統(tǒng)方法由于需要使用大量的d/a轉(zhuǎn)換器、混頻器和功率放大器等硬件設(shè)備(即通常所說的射頻鏈路)，使得毫米波系統(tǒng)存在硬件成本和功率開銷過大的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于迫零的毫米波通信系統(tǒng)混合預(yù)編碼方法，其中，混合預(yù)編碼是指?jìng)鬏斝盘?hào)前在數(shù)字端和模擬端同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼，從而減少射頻鏈路的數(shù)量來降低毫米波系統(tǒng)的硬件開銷。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種基于迫零的毫米波通信系統(tǒng)混合預(yù)編碼方法，包括以下步驟：

步驟一、發(fā)射端根據(jù)信道矩陣h構(gòu)建迫零預(yù)編碼矩陣fzf；

步驟二、利用qr分解將迫零預(yù)編碼矩陣fzf分解成一個(gè)酉矩陣q和一個(gè)上三角矩陣r的乘積；

步驟三、將步驟二中的酉矩陣q在陣列流型矢量組成的集合中進(jìn)行匹配，從而構(gòu)造模擬端預(yù)編碼矩陣frf；

步驟四、根據(jù)模擬端預(yù)編碼矩陣frf和迫零預(yù)編碼矩陣fzf得到數(shù)字端的預(yù)編碼矩陣fbb，混合預(yù)編碼矩陣f表現(xiàn)為模擬端預(yù)編碼矩陣frf和數(shù)字端預(yù)編碼矩陣fbb的乘積。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，步驟一中迫零預(yù)編碼矩陣fzf為：fzf＝h'(hh')^-1。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，步驟三中模擬端預(yù)編碼矩陣frf中的元素具有恒模特性。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，步驟三中模擬端預(yù)編碼矩陣frf中的第n列frf,n為：其中，at是集合中每個(gè)元素作為一列組成的矩陣，nray為發(fā)射端的有效發(fā)射方向數(shù)，(·)l,l表示矩陣中第l個(gè)對(duì)角元素，×表示矩陣乘法，表示矩陣的第kn列，qn表示酉矩陣q的第n列，1≤n≤nrf，nrf為射頻鏈路數(shù)目。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，步驟四中預(yù)編碼矩陣fbb為：fbb＝c×σ，其中，q1表示由酉矩陣q的前nr列組成的矩陣，σ表示由上三角矩陣r的前nr行組成的矩陣，nr為接收天線數(shù)目。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1)通過上述步驟的描述可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明所需射頻鏈路數(shù)與接收天線數(shù)相同。在毫米波通信下行系統(tǒng)中，發(fā)射天線數(shù)往往遠(yuǎn)大于接收天線數(shù)，因此本發(fā)明減少了射頻鏈路數(shù)目，從而降低了系統(tǒng)的硬件成本和額外的硬件設(shè)備功率開銷；

2)本發(fā)明因?yàn)槭菍?duì)最佳的全數(shù)字zf預(yù)編碼矩陣進(jìn)行重構(gòu)，所以在頻譜效率性能方面接近最佳的全數(shù)字zf預(yù)編碼方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所設(shè)定的毫米波通信系統(tǒng)的系統(tǒng)模型。

圖2為本發(fā)明一種基于迫零的毫米波通信系統(tǒng)混合預(yù)編碼方法的一個(gè)實(shí)施例流程圖。

圖3為本發(fā)明所述方法的一個(gè)實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)的仿真性能對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

圖1為本發(fā)明所設(shè)定的毫米波通信系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，其中，發(fā)射天線數(shù)目為nt，接收天線數(shù)目為nr，射頻rf鏈路數(shù)目為nrf，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流數(shù)目為ns，且滿足nt≥nr＝nrf＝ns。

圖2為本發(fā)明一種基于迫零的毫米波通信系統(tǒng)混合預(yù)編碼方法的一個(gè)實(shí)施例流程圖，該實(shí)施例所述方法包括以下步驟：

步驟一、發(fā)射端獲取信道狀態(tài)信息csi，利用信道狀態(tài)信息csi構(gòu)建迫零預(yù)編碼矩陣fzf。具體過程為：

在tdd或fdd系統(tǒng)中，通過上下行信道間的互益性或信道反饋，發(fā)射端可以獲得信道狀態(tài)信息csi，從而得到信道矩陣h。

由于毫米波通信系統(tǒng)信道存在有限散射的特性，根據(jù)信道的稀疏特性往往將信道建模為聚集簇模型，即發(fā)射端有效的發(fā)射方向是有限的，具體表達(dá)如下所示：

其中，γ是歸一化因子，αil表示第i個(gè)散射簇中第l條射線的信道增益，和表示這些射線在接收端和發(fā)射端的方位角(俯仰角)，和表示發(fā)射端和接收端對(duì)應(yīng)角度的天線增益，和表示歸一化的接收端和發(fā)射端陣列流型矢量。

例如，對(duì)于n根天線組成的ula，陣列流型矢量表達(dá)形式為：

其中，φ表示放射方向的方位角。

發(fā)射端利用信道矩陣h構(gòu)建迫零預(yù)編碼矩陣fzf。傳統(tǒng)的迫零預(yù)編碼方法如下所示：

fzf＝h'(hh')^-1。

步驟二、利用qr分解將迫零預(yù)編碼矩陣fzf分解成一個(gè)酉矩陣和一個(gè)上三角矩陣的乘積。具體過程為：

信道矩陣h是一個(gè)維度為nr×nt的矩陣，由步驟一得到的迫零預(yù)編碼矩陣fzf維度為nt×nr，且nt≥nr，因此fzf滿足qr分解的條件。對(duì)fzf進(jìn)行qr分解可得：

fzf＝q×r

其中，q是一個(gè)nt×nt的酉矩陣，r是一個(gè)nt×nr的上三角矩陣。可以將q表示為其中qn(1≤n≤nt)表示q中的第n個(gè)列向量；將r表示為σ是一個(gè)nr×nr的上三角矩陣，0是一個(gè)全零矩陣。

步驟三、將步驟二中的酉矩陣q在由發(fā)射端可能發(fā)射方向的陣列流型矢量組成的集合中進(jìn)行匹配，從而構(gòu)造模擬端符合恒模限制的預(yù)編碼矩陣，用符號(hào)frf表示。具體過程為：

假設(shè)發(fā)射端的有效發(fā)射方向數(shù)為nray，發(fā)射端所有有效發(fā)射方向的陣列流型矢量用集合來表示，表示為其中，表示第i個(gè)散射簇中第l條射線在發(fā)射端的發(fā)射方向的陣列流型矢量。

由步驟二可知，q和r可分別表示為及因此，迫零預(yù)編碼fzf表示為：

令即fzf＝q1×σ，其中，q1是一個(gè)nt×nr且列向量為相互正交的單位向量的矩陣。由上可知，q1和σ包含了fzf中的所有信息。因此，在模擬端，利用q1進(jìn)行模擬端的預(yù)編碼。

集合中每個(gè)元素作為一列組成矩陣將q1中的每一個(gè)列向量在集合中進(jìn)行匹配，選出最佳發(fā)射方向的陣列流型矢量來作為模擬端的預(yù)編碼矩陣，方法如下所示：

(1)計(jì)算q1的每一列在由at組成的一組基上的坐標(biāo)ψ：

(2)取出坐標(biāo)值最大的基在at中的位置k：

其中，ncl表示散射簇的數(shù)目，nline表示每個(gè)散射簇中射線的數(shù)目，則發(fā)射端的有效發(fā)射方向數(shù)nray＝nclnline。

(3)將坐標(biāo)值最大的基作為frf的一列：

其中，(·)l,l表示矩陣中第l個(gè)對(duì)角元素，·^(k)表示矩陣的第k列。

frf初始化為一個(gè)空矩陣，對(duì)n從1到nr依次進(jìn)行計(jì)算，其第n列frf,n為：其中，最終獲得模擬端的預(yù)編碼矩陣frf。

如上述方法構(gòu)造模擬端的預(yù)編碼矩陣frf，從上式可以看出，frf的每一列都是某一發(fā)射方向的陣列流型矢量，因此frf中的元素具有恒模特性。

步驟四、使用模擬端預(yù)編碼矩陣frf和迫零預(yù)編碼矩陣fzf得到數(shù)字端的預(yù)編碼矩陣fbb，混合預(yù)編碼矩陣f表現(xiàn)為模擬端和數(shù)字端預(yù)編碼矩陣的乘積，具體過程為：

不同角度的陣列流型矢量之間是線性獨(dú)立的，因此，q1可以通過對(duì)步驟三中構(gòu)造的模擬端預(yù)編碼矩陣frf進(jìn)行線性變換得到，即表示成如下形式：

q1＝frf×c

其中，c表示從frf到q1的線性變換矩陣，具有以下形式：

因此上述的迫零預(yù)編碼矩陣fzf可以表示為：

fzf＝q1×σ

＝frf×c×σ

在數(shù)字端進(jìn)行預(yù)編碼，即令fbb＝c×σ，本文提出的混合預(yù)編碼矩陣f表現(xiàn)為：

f＝frffbb

為了方便系統(tǒng)性能的比較，可加入功率歸一化因子β。令則：此時(shí)混合預(yù)編碼矩陣f表現(xiàn)為：f＝βfrffbb。

圖3是將本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例與全數(shù)字zf預(yù)編碼以及現(xiàn)有以信道矩陣相位做模擬端波束賦形的混合預(yù)編碼算法在頻譜效率性能方面進(jìn)行比較的仿真圖，參數(shù)設(shè)置為：nt＝64；nr＝ns＝nrf＝4；共有8條散射路徑，即ncl×nline＝8且角度隨機(jī)生成，發(fā)射端和接收端采用ula天線陣列，每根天線之間距離為

從圖3中可以看到，與現(xiàn)有的以信道矩陣相位做模擬端波束賦形的混合預(yù)編碼算法相比，利用qr分解的混合預(yù)編碼算法頻譜效率性能更好。與全數(shù)字的zf預(yù)編碼相比，利用qr分解的混合預(yù)編碼算法頻譜效率性能僅有少量損耗但是只需要4條射頻鏈路，遠(yuǎn)少于全數(shù)字zf預(yù)編碼的64條射頻鏈路。

由此可以看出，本發(fā)明的實(shí)施例方案在降低了系統(tǒng)硬件成本與額外硬件設(shè)備功率開銷的前提下，與現(xiàn)有方案相比能夠獲得更好的頻譜效率性能。

在毫米波通信系統(tǒng)中，本發(fā)明利用迫零思想在數(shù)字端和模擬端同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理來消除數(shù)據(jù)流之間的干擾，在少量頻譜效率性能損耗的情況下大大減少了系統(tǒng)的射頻鏈路數(shù)量。與傳統(tǒng)的方法相比，本發(fā)明大大減少了系統(tǒng)的射頻鏈路數(shù)量且僅有少量頻譜效率性能損耗，從而降低了系統(tǒng)的硬件成本和額外的硬件設(shè)備功率開銷，因此，本發(fā)明相比傳統(tǒng)的方法更加適用于毫米波通信系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。