本發(fā)明涉及大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中的檢測方法設計領域，尤其是一種采用數?；旌蠙z測的大規(guī)模天線陣列中繼傳輸方法。

背景技術：

作為未來5G的關鍵技術，大規(guī)模多天線系統(tǒng)(MIMO，multiple input multiple output)可以顯著提高頻譜效率和能量效率。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)下行鏈路中，為了達到最大的通信系統(tǒng)容量，需要使用預編碼技術，非線性預編碼可以達到最優(yōu)性能，例如臟紙編碼(DPC，dirty paper coding)。但是這種非線性預編碼較為復雜，為了簡化預編碼方案且不損失系統(tǒng)性能，可以使用線性預編碼，例如ZF預編碼，它可以在一定程度上逼近最大容量。進一步研究發(fā)現，在保證一定頻譜效率的前提下，大規(guī)模多用戶MIMO系統(tǒng)可以顯著降低用戶發(fā)射功率。

實際系統(tǒng)中，由于使用大規(guī)模天線陣列，下行鏈路的基帶ZF預編碼和上行鏈路的ZF檢測都是滿維度的數字域計算。要實現該運算，系統(tǒng)需要配置射頻(RF，radio frequency)鏈路個數等于基站天線數，這在大規(guī)模天線系統(tǒng)中會大大增加硬件復雜度和設備成本?？紤]大規(guī)模多用戶MIMO系統(tǒng)傳輸，本發(fā)明提出了減小RF鏈路個數，從而基站采取高維度模擬檢測與低維度數字檢測相級聯的混合檢測方法，即在射頻域使用移相器來控制相位，在基帶使用低維度的ZF檢測。這種混合方案可以接近ZF檢測的傳輸性能。

當用戶與基站或用戶間無法進行直接通信時，需要在通信鏈路上增加中繼，中繼端進行信號的放大和轉發(fā)，做功率歸一化的工作。大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)能夠顯著增大基站的覆蓋范圍，增加通信鏈路的頻譜效率。

結合考慮到使用大規(guī)模的天線陣列將會大大增加硬件復雜度和能耗。例如，基站消耗的電能很大部分是由射頻功放電路和冷卻系統(tǒng)消耗的。在實際的大規(guī)模天線陣列中繼系統(tǒng)中，針對基站硬件復雜度很高導致高能耗問題，該混合處理方法通過減少基站的射頻鏈路數，并據此對用戶發(fā)射功率進行調整，以獲得天線數增加時的高能效的傳輸速率。

技術實現要素：

針對上述現有技術的不足，本發(fā)明旨在提供一種采用數?；旌蠙z測的大規(guī)模天線陣列中繼傳輸方法，減小基站硬件復雜度，并在保證系統(tǒng)有效傳輸速率前提下通過增加接收天線數目按指數規(guī)律降低用戶所需的上行發(fā)射總功率。

本發(fā)明采用的技術方案是：一種采用數?；旌蠙z測的大規(guī)模天線陣列中繼傳輸方法，包括以下步驟：

(1)K個用戶同時發(fā)送模擬信號到中繼，中繼天線數為N_r，中繼接收模擬信號y_r；

(2)中繼對接收到的模擬信號進行功率歸一化并轉發(fā)給基站，基站天線數為N_d，基站接收信號y_d；

(3)基站配備的射頻鏈路單元匹配大規(guī)模天線陣子對接收信號進行檢測，得到發(fā)射信號估計值，并計算接收信號的信干噪比；

(4)基站由計算接收信號的信干噪比近似估計值和系統(tǒng)近似傳輸速率，然后根據所要求的對應有效傳輸速率計算出用戶所需發(fā)射功率P_u的取值并反饋給用戶；

(5)K個用戶根據基站反饋信息，調整發(fā)送功率P_u的取值，之后都以基站反饋來的發(fā)射功率發(fā)送信號。

進一步的，步驟(1)中所述中繼接收的模擬信號為y_r：

$y_r=\sqrt{P_u}Hx+n_r$

其中，P_u表示每個用戶的發(fā)送功率，x表示維度為K×1的發(fā)送信號矢量，滿足E{xx^H}＝I_K，E{}表示矩陣的均值，上標x^H表示x的共軛轉置，I_K表示維度為K×K的單位矩陣；n_r表示維度為N_r×1的中繼端噪聲矢量，滿足表示中繼噪聲方差；H表示維度為N_r×K的多用戶-中繼信道矩陣。

進一步的，步驟(2)中所述基站接收的信號為：

y_d＝αGy_r+n_d

其中α表示功率歸一化因子，n_d表示維度為N_d×1的基站端噪聲矢量，滿足表示基站噪聲方差；G表示維度為N_d×N_r的中繼-基站信道矩陣；定義P_r表示中繼端轉發(fā)功率，那么α根據下式計算：

$\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{P_r}{P_{u}Tr\left(H^{H}H\right)+{\mathrm{\σ}}_r^2{N}_r}}$

其中Tr()表示矩陣的跡。

進一步的，步驟(3)所述的檢測，包括模擬射頻檢測方式和數字基帶檢測方式，其設定射頻鏈路數目為K個，所述模擬射頻檢測使用移相器F_a調整模擬信號相位；所述數字基帶檢測使用線性接收機F_d對模擬信號的幅度和相位同時進行調整；步驟(3)中所述發(fā)射信號估計值為：

$\hat{x}=F_d{F}_a{y}_d$

進一步的，所述模擬移相器F_a的維度為K×N_d，其每個元素滿足：

${\[F_a\]}_{ij}=\frac{1}{\sqrt{N_d}}{e}^{{\mathrm{j\φ}}_{ij}}$

其中φ_ij表示級聯信道共軛轉置矩陣(GH)^H第i行、第j列元素的相位；F_d的維度是K×K；

步驟(3)中所述檢測包括對多用戶-中繼信道H、中繼-基站信道G、模擬檢測器F_a這三者乘積的等效信道進行線性檢測。

進一步的，所述線性檢測采用線性數字檢測器，所述線性數字檢測器可進行最大比合并檢測、迫零檢測和最小均方誤差檢測中的一種或多種，當使用迫零檢測時，F_d＝(F_aGH)^-1。

進一步的，步驟(3)中所述接收信號的信干噪比為：

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{P_u}{{\mathrm{\σ}}_r^2{\[F_d{F}_a{\mathrm{GG}}^H{F}_a^H{F}_d^H\]}_{kk}+\frac{{\mathrm{\σ}}_d^2}{{\mathrm{\α}}^2}{\[F_d{F}_a{F}_a^H{F}_d^H\]}_{kk}}$

其中，[]_kk表示矩陣的第k行、第k列元素。

進一步的，步驟(4)中所述信干噪比近似估計值為：

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{{\mathrm{\ξ}}_k{P}_u}{\frac{4{\mathrm{\σ}}_r^2}{{\mathrm{\πN}}_d}+\frac{4\left(P_{u}Tr\right(D_H)+{\mathrm{\σ}}_r^2){\mathrm{\σ}}_d^2}{{\mathrm{\π\ηP}}_r{N}_d}}$

其中，D_H表示用戶-中繼信道維度為K×K的大尺度衰落矩陣，ξ_k為D_H的第k個對角元，η為中繼-基站信道的大尺度衰落系數；

進一步的，所述系統(tǒng)近似傳輸速率計算公式為：

$R=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\ξ}}_k{P}_u}{\frac{4{\mathrm{\σ}}_r^2}{{\mathrm{\πN}}_d}+\frac{4\left(P_{u}Tr\right(D_H)+{\mathrm{\σ}}_r^2){\mathrm{\σ}}_d^2}{{\mathrm{\π\ηP}}_r{N}_d}})$

進一步的，步驟(4)中所述發(fā)送功率P_u具體為：

$P_u=\frac{E_u}{N_r^c},0\<c\<1$

其中，E_u為定值，c滿足0<c<1且為常數，c的取值根據所要求的對應有效傳輸速率來確定，具體方法為：首先已知N_d、K、P_r、D_H、ξ_k和η，然后將所要求的固定傳輸速率R₀以及E_u、N_r均為定值，代入步驟(4)中的系統(tǒng)近似傳輸速率計算公式，計算出c的值。

有益效果：本發(fā)明方法能夠減小大規(guī)模天線陣列中繼系統(tǒng)中基站硬件復雜度，所采用的數?；旌蠙z測方案實現簡單，實現復雜度低，性能較好。并且，本發(fā)明方法利用中繼和基站的大規(guī)模天線陣列，通過增加天線數按指數規(guī)律降低用戶上行發(fā)射功率，同時保證系統(tǒng)傳輸速率隨天線數單調遞增。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提出的系統(tǒng)框架圖；

圖2是系統(tǒng)傳輸速率隨中繼天線數的增加而變化的曲線圖；

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明：

如圖1所示，一種采用數?；旌蠙z測的大規(guī)模天線陣列中繼傳輸方法，包括以下步驟：

(1)K個用戶同時發(fā)送模擬信號到中繼，中繼天線數為N_r，中繼接收模擬信號y_r，

$y_r=\sqrt{P_u}Hx+n_r$

其中，P_u表示每個用戶的發(fā)送功率，x表示維度為K×1的發(fā)送信號矢量，滿足E{xx^H}＝I_K，E{}表示矩陣的均值，上標x^H表示x的共軛轉置，I_K表示維度為K×K的單位矩陣；n_r表示維度為N_r×1的中繼端噪聲矢量，滿足表示中繼噪聲方差；H表示維度為N_r×K的多用戶-中繼信道矩陣。

(2)中繼對接收到的模擬信號進行功率歸一化并轉發(fā)給基站，基站天線數為N_d，基站接收信號y_d，

y_d＝αGy_r+n_d

其中α表示功率歸一化因子，n_d表示維度為N_d×1的基站端噪聲矢量，滿足表示基站噪聲方差；G表示維度為N_d×N_r的中繼-基站信道矩陣；定義P_r表示中繼端轉發(fā)功率，那么α根據下式計算：

$\mathrm{\&alpha;}=\sqrt{\frac{P_r}{P_{u}Tr\left(H^{H}H\right)+{\mathrm{\&sigma;}}_r^2{N}_r}}$

其中Tr()表示矩陣的跡。

(3)基站使用配備的少量射頻鏈路單元匹配大規(guī)模天線陣子對接收信號進行檢測，得到發(fā)射信號估計值，并計算接收信號的信干噪比；

所述的檢測，包括模擬射頻檢測方式和數字基帶檢測方式，其設定射頻鏈路數目為K個，經過模擬射頻檢測方式和數字基帶檢測方式的混合檢測，得到發(fā)射信號估計值；所述模擬射頻檢測使用移相器F_a調整模擬信號相位；所述數字基帶檢測使用線性接收機F_d對模擬信號的幅度和相位同時進行調整；

發(fā)射信號估計值為：

$\hat{x}=F_d{F}_a{y}_d$

本發(fā)明方法支持系統(tǒng)配置射頻鏈路數K遠小于天線陣子數目N_d，可以控制大規(guī)?；倦娐烦杀炯皬碗s度，通?？梢匀≈当緦嵤├写藭r模擬移相器F_a的維度為K×N_d，其每個元素滿足：

${\&lsqb;F_a\&rsqb;}_{ij}=\frac{1}{\sqrt{N_d}}{e}^{{\mathrm{j\&phi;}}_{ij}}$

其中φ_ij表示級聯信道共軛轉置矩陣(GH)^H第i行、第j列元素的相位；F_d的維度是K×K；其設計可以采用現有系統(tǒng)中常見的(純數字)檢測器；

檢測包括對多用戶-中繼信道H、中繼-基站信道G、模擬檢測器F_a這三者乘積的等效信道進行線性檢測。

線性檢測采用線性數字檢測器，線性數字檢測器可進行最大比合并檢測(MRC)、迫零檢測(ZF)和最小均方誤差檢測(MMSE)中的一種或多種，當使用迫零檢測時，F_d＝(F_aGH)^-1。

接收信號的信干噪比為：

${\mathrm{\&gamma;}}_k=\frac{P_u}{{\mathrm{\&sigma;}}_r^2{\&lsqb;F_d{F}_a{\mathrm{GG}}^H{F}_a^H{F}_d^H\&rsqb;}_{kk}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_d^2}{{\mathrm{\&alpha;}}^2}{\&lsqb;F_d{F}_a{F}_a^H{F}_d^H\&rsqb;}_{kk}}$

其中，[]_kk表示矩陣的第k行、第k列元素。

(4)基站由計算接收信號的信干噪比近似估計值和系統(tǒng)近似傳輸速率，然后根據所要求的對應有效傳輸速率計算出用戶所需發(fā)射功率P_u的取值并反饋給用戶；步驟(4)中所述信干噪比近似估計值為：

${\mathrm{\&gamma;}}_k=\frac{{\mathrm{\&xi;}}_k{P}_u}{\frac{4{\mathrm{\&sigma;}}_r^2}{{\mathrm{\&pi;N}}_d}+\frac{4\left(P_{u}Tr\right(D_H)+{\mathrm{\&sigma;}}_r^2){\mathrm{\&sigma;}}_d^2}{{\mathrm{\&pi;\&eta;P}}_r{N}_d}}$

其中，D_H表示用戶-中繼信道維度為K×K的大尺度衰落矩陣，ξ_k為D_H的第k個對角元，η為中繼-基站信道的大尺度衰落系數；

所述系統(tǒng)近似傳輸速率計算公式為：

$R=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\&xi;}}_k{P}_u}{\frac{4{\mathrm{\&sigma;}}_r^2}{{\mathrm{\&pi;N}}_d}+\frac{4\left(P_{u}Tr\right(D_H)+{\mathrm{\&sigma;}}_r^2){\mathrm{\&sigma;}}_d^2}{{\mathrm{\&pi;\&eta;P}}_r{N}_d}})$

增加大規(guī)模天線時用戶上行發(fā)射功率P_u按指數規(guī)律降低，系統(tǒng)傳輸速率隨天線數單調遞增，發(fā)送功率P_u具體為：

$P_u=\frac{E_u}{N_r^c},0\&lt;c\&lt;1$

其中，E_u為定值，c滿足0<c<1且為常數，c的取值根據所要求的對應有效傳輸速率來確定，具體方法為：首先已知N_d、K、P_r、D_H、ξ_k和η，然后將所要求的固定傳輸速率R₀以及E_u、N_r均為定值，代入步驟(4)中的系統(tǒng)近似傳輸速率計算公式，計算出c的值。

(5)K個用戶根據基站反饋信息，調整發(fā)送功率P_u的取值，之后都以基站反饋來的發(fā)射功率發(fā)送信號。

如圖2所示，當增加天線數按不同的指數規(guī)律降低發(fā)射功率時，傳輸速率隨天線數的增加有不同的變化趨勢。由圖中發(fā)現，當0<c<1時，觀察圖中自上而下的前四條曲線，傳輸速率隨天線數單調遞增；當c>1時，觀察圖中自上而下的后兩條曲線，可以看出，任意選擇功率調整系數c都不能保證用戶傳輸性能隨天線數目增加而增加。因此，本發(fā)明提出的數?；旌蠙z測方案在保證有效傳輸速率的前提下能夠按降低發(fā)射功率。

應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現有技術加以實現。