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發(fā)射天線和接收天線,信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線進行傳送和接收,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),一個基本問題就是消除數(shù)據(jù)流之間或是用戶信號之間的干擾。
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對發(fā)射信號進行預(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),人們對于通信速率等性能方面的要求將成百上千倍增長,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級別的傳輸速率,且由于其波長很短,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)同時存在路徑損耗過高、散射能力差等缺點。為了克服這些缺點,利用大規(guī)模的天線陣列進行波束賦形和預(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)編碼是指傳輸信號前在數(shù)字端和模擬端同時對信號進行預(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分解成一個酉矩陣q和一個上三角矩陣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
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:
作為本發(fā)明的進一步技術(shù)方案,步驟四中預(yù)編碼矩陣fbb為:fbb=c×σ,其中,
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)明因為是對最佳的全數(shù)字zf預(yù)編碼矩陣進行重構(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)編碼方法的一個實施例流程圖。
圖3為本發(fā)明所述方法的一個實施例與現(xiàn)有技術(shù)的仿真性能對比圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明:
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)編碼方法的一個實施例流程圖,該實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,具體表達如下所示:
其中,γ是歸一化因子,αil表示第i個散射簇中第l條射線的信道增益,
例如,對于n根天線組成的ula,陣列流型矢量表達形式為:
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分解成一個酉矩陣和一個上三角矩陣的乘積。具體過程為:
信道矩陣h是一個維度為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fzf進行qr分解可得:
fzf=q×r
其中,q是一個nt×nt的酉矩陣,r是一個nt×nr的上三角矩陣。可以將q表示為
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
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
由步驟二可知,q和r可分別表示為
令
集合
(1)計算q1的每一列在由at組成的一組基上的坐標ψ:
(2)取出坐標值最大的基在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)將坐標值最大的基作為frf的一列:
其中,(·)l,l表示矩陣中第l個對角元素,·(k)表示矩陣的第k列。
frf初始化為一個空矩陣,對n從1到nr依次進行計算,其第n列frf,n為:
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立的,因此,q1可以通過對步驟三中構(gòu)造的模擬端預(yù)編碼矩陣frf進行線性變換得到,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
圖3是將本發(fā)明的一個實施例與全數(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)字端和模擬端同時對信號進行處理來消除數(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)在實際中的應(yīng)用。
以上所述,僅為本發(fā)明中的具體實施方式,但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此,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)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。