1.基于分布式部分连接的大规模MIMO混合预编码方法,其特征在于,所述方法在基于分布式部分连接结构的大规模MIMO模数混合预编码器(201)中使用,所述基于分布式部分连接结构的大规模MIMO模数混合预编码器(201)包括数字预编码器(301)、射频链路(302)、模拟预编码器(303),模拟预编码器(303)又包括移相器(304)和分布式连接器(305),所述大规模MIMO模数混合预编码方法包括以下步骤:S1、基站设置NTX个发射天线和NRF个射频链路(302),将基站的NTX个发射天线划分为个子阵列,其中 表示正整数集合,每个发射天线子阵列的天线数为M2=NTX/N,所述每个射频链路通过分布式连接器(305)与D个发射天线子阵列相连,每个射频链路对应M1=NTX/NRF=DM2个发射天线;
S2、通过模拟预编码器(303)计算模拟预编码矩阵FRF:每个射频链路将根据模拟预编码矩阵FRF的优化结果并通过分布式连接器(305)与D个发射天线子阵列相连;
模拟预编码矩阵FRF通过下行信道矩阵H计算得到,基站可通过时分双工系统的上下行链路互易性或频分双工系统的用户终端反馈获取阶数为K×NTX的下行信道矩阵H,其中,K为单天线用户终端的数量;
根据混合预编码器的分布式部分连接结构,将下行信道矩阵H划分为N个阶数为K×M2的子矩阵Hn(n=1,2,...,N);由此,下行信道矩阵H可表示为H=[H1 H2 … HN]
子矩阵Hn可视为第n个发射天线子阵列到K个用户终端的下行信道矩阵,可表示为上式中,hn,km(k=1,2,...,K,m=1,2,...,M2)表示基站第(n-1)M2+m个发射天线到第k个用户终端的信道系数,|hn,km|和 分别表示hn,km的幅度和相位;
在部分连接结构中使用移相器(304)实现模拟预编码的约束条件下,需根据一定准则从Hn中选择一个合适的行向量 并提取hn,k各元素的相位信息以构造发射天线子阵列n对应的模拟预编码向量fk,n,即上式中,算符“H”表示向量 的共轭转置;由此,可认为通过该准则在用户终端k和发射天线子阵列n之间建立了一个匹配关系;匹配结果决定了用户终端k和发射天线子阵列n的具体数值(k,n),通过(k,n)值查找到子矩阵Hn的第k个行向量,该行向量包含的各信道系数的相位即决定了fk,n中各元素指数位置相位 的具体数值,即移相器对各对应天线移相操作的具体相位值;计算用户终端k获得的总体发射天线子阵列增益,通过最大化用户终端k总体发射天线子阵列增益的原则建立用户终端k和D个发射天线子阵列之间的匹配关系及分布式连接器的具体连接关系;
在步骤S2中,在模拟预编码向量fk,n的作用下,用户终端k获得的发射天线子阵列n的增益ηk(n)为
注意到ηk(n)是关于n的函数,即对同一用户终端但不同的n值,ηk(n)存在差异;设所有发射天线子阵列的序号集合为 如前所述,每个射频链路将通过分布式连接器并基于某种准则同时连接D个发射天线子阵列,并生成对应于用户终端k的模拟预编码向量;设根据该准则确定的对应于用户终端k的D个发射天线子阵列的序号构成集合则用户终端k获得的总体发射天线子阵列增益为提出如下最大化用户终端k总体发射天线子阵列增益ηk的准则建立用户终端k和D个发射天线子阵列之间的匹配关系,以优化FRF的设计并提升系统性能:最大化用户终端总体发射天线子阵列增益匹配准则:设用户终端序号集合为U={1,
2,…,K},第1轮匹配:第1步,对用户终端1,计算其对应的所有发射天线子阵列增益再从η1(n)中选择对应于前D个最大值的D个发射天线子阵列分配给用户终端
1,将这D个发射天线子阵列的序号记为 且与射频链路1对应相连;第2步,对用户终端2,计算其对应除发射天线子阵列集合 以外的其余所有发射天线子阵列增益其中 表示集合 关于集合 的相对补集,再从η2(n)中选择对应于前D个最大值的D个发射天线子阵列分配给用户终端2,将这D个子阵列的序号记为且与射频链路2对应相连……以此类推,直至给用户终端K分配了D个发射天线子阵列,将这D个子阵列的序号记为 且与射频链路K对应相连;第2轮匹配:若K<NRF,则还未分配的子阵列集合为 继续对所有用户按照第1轮匹配的规则从子阵列集合中选择对应的发射天线子阵列,并将它们顺次与其余射频链路相连……以此类推,直至将所有发射天线子阵列分配给相应用户终端并确定与相应射频链路的连接关系为止;
S3、输入基于分布式部分连接结构的大规模MIMO模数混合预编码器(201)的数据流1至数据流K,通过数字预编码器根据下行信道矩阵H和模拟预编码矩阵FRF计算数字预编码矩阵FBB:
设等效信道矩阵G=HFRF,其阶数为K×NRF;求G的伪逆矩阵WW=GH(GGH)-1
矩阵W的阶数为NRF×K;记W的第k列为wk(k=1,2,...,K),其Frobenius范数为||wk||;以||wk||为对角元构造一对角矩阵Λ=diag{||w1||,||w2||,...,||wK||},则数字预编码矩阵FBB可通过下式计算
FBB=WΛ-1;
S4、根据模拟预编码矩阵FRF和数字预编码矩阵FBB对输入的多路数据流进行模数混合预编码:
将输入基于分布式部分连接结构的大规模MIMO模数混合预编码器的多路数据流用向量表示为s=[s1,s2,...,sK]T;在求解出FRF和FBB之后,大规模MIMO模数混合预编码器201的输出信号可表示为
x=FRFFBBs=Fs
输出信号x是一个Nt维列向量,分别由Nt个天线发送。
2.根据权利要求1所述的基于分布式部分连接的大规模MIMO混合预编码方法,其特征在于,
在S1中,发射天线子阵列划分采用下列原则:距离就近原则:对本身没有物理分割的天线阵列,将间距最小的M2个天线划分为同一发射天线子阵列。
3.根据权利要求1所述的基于分布式部分连接的大规模MIMO混合预编码方法,其特征在于,
在S1中,发射天线子阵列划分采用下列原则:物理分割原则:对本身具有一定物理分割形态的天线阵列,将具有相对独立空间位置的M2个天线划分为同一发射天线子阵列。
4.根据权利要求1所述的基于分布式部分连接的大规模MIMO混合预编码方法,其特征在于,
S4中,信道矩阵与预编码矩阵的乘积为HF=Λ-1
因Λ-1为对角矩阵,故预编码完全消除了用户间干扰,这意味着经过预编码处理和空口信道传输后,每个用户仅接收到其自身期望信号;由此,用户端接收机的设计可大为简化;
最终,系统获得的和频谱效率R可表示为P表示基站端总的发射功率,σ2表示用户端接收机噪声功率。