一種用於毫米波RSM‑MIMO系統的混合預編碼方法與流程
2023-09-19 12:46:05 2
本發明屬於通信抗幹擾技術領域，涉及接收端空間調製(receivespatialmodulation,rsm)技術，混合預編碼(hybridbeamforming,hb)技術，毫米波通信(millimeter-wave(mmwave)communication)，以及多輸入多輸出(multipleinputmultipleoutput,mimo)技術，具體的說是涉及一種用於毫米波rsm-mimo系統的混合預編碼方法。
背景技術：
mimo系統相對於單輸入單輸出(siso)系統，在系統容量上有了很大的提升。但是由於mimo系統中配備多個昂貴的射頻鏈路，使得硬體的成本和複雜度都增加很大，因此，為了降低硬體成本，人們提出了混合預編碼技術。在模擬域利用相對廉價的移相器等器件能大大地減少射頻鏈數，從而降低硬體成本。
新興起的毫米波通信技術能提供大量的帶寬，並且有效提高通信容量，因此被視為5g行動網路的一個重要部分。將毫米波技術與mimo技術相結合(mmwave-mimo)可以克服毫米波傳播的高路徑損耗的問題，而新興的rsm技術可以為mmwave-mimo提供低複雜度和高速率設計，因此提出了毫米波rsm-mimo系統。為了在提供可從mimo系統獲得的確定分集增益的同時減少rf的成本損耗，混合預編碼(hybridbeamforming,hb)是一個很有效的技術,於是提出了毫米波通信的hb-rsm方案。
技術實現要素：
本發明的目的，就是提出一種用於毫米波rsm-mimo系統的混合預編碼方法。
本發明的技術方案如下：
一種用於毫米波rsm-mimo系統的混合預編碼方法，設定毫米波rsm-mimo系統具有l條多徑，nt根發射天線和nr根接收天線，用於傳輸每組為b比特的數位訊號；其中每組b比特數據經過sm調製後映射為天線序號i和apm符號x，毫米波信道矩陣為：
其中，和表示天線的陣列響應向量，且λ為波長，d為內置天線間的距離；
其特徵在於，對已知的毫米波信道和發射信號x進行混合預編碼方法包括以下步驟：
s1、設置模擬預編碼矩陣w如下：
w＝ams(φ0)；
φ0為波束成形指向；
s2、根據模擬預編碼矩陣w將等效的信道矩陣轉化為：
s3、根據等效的信道矩陣設置數字端迫零預編碼矩陣為：
其中，為歸一化因子；
s4、根據迫零預編碼矩陣得到混合預編碼後的接收信號為：
本發明的有益效果在於，多輸入多輸出(multipleinputmultipleoutput,mimo)系統中瑞利信道下的接收空間調製(receivespatialmodulation,rsm)中的預編碼矩陣的維度是nt×nr，而本發明的數字預編碼矩陣的維度是l×nr，且在毫米波信道下，多徑數遠小於發射天線數，故與傳統的設計相比，能夠在ber性能幾乎沒有損失的情況下，極大地降低了算法的複雜度。
附圖說明
圖1是本發明的基於混合預編碼的毫米波rsm系統框圖；
圖2是本發明混合預編碼後毫米波rsm系統ber性能圖；
圖3是混合預編碼前後毫米波rsm系統ber性能對比示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖，詳細描述本發明的技術方案。
mimo系統中瑞利衰落信道(rayleighfadingchannel)下的rsm技術是直接利用信道矩陣h進行迫零預編碼(zeroforcingprecoding)，而信道矩陣h的維度為nr×nt，在大規模mimo系統下，射頻鏈路數目要與天線數匹配，則有極高的硬體代價，且數字端迫零預編碼矩陣的生成將會有較高的複雜度。為了解決上述問題，本發明提出將混合預編碼技術應用於毫米波rsm系統中，能在系統ber性能幾乎沒有損失的情況下，較大程度地降低系統的複雜度。同傳統rsm系統一樣，本發明在數字端仍然採用迫零預編碼，而在模擬域則引入波束成形技術，具體實施方案如下：發射端首先在數字端做迫零預編碼，然後在模擬域用移相器來調節相位使發射天線全對準接收端的激活天線，使接收端激活天線的功率達到最大，系統框圖如圖1所示，可以看到與傳統的接收端空間調製(rsm)系統模型相比，該模型在發射端增加了一個模擬預編碼的模塊，通過在模擬域用移相器對發射天線調節相位使其對準接收端的激活天線，使接收端激活天線的功率達到最大，且能達到減少硬體代價的目的。
考慮一個有nt根發送天線，nr根接收天線，多徑數為l的毫米波接收端空間調製系統，更具體的，假設nt＝4,nr＝2。選取調製階數為m＝4的正交相移鍵控(qpsk)調製方式，則該系統的傳輸速率為：m＝log2(m)+log2(nr)。若待傳輸的比特數據為b＝101，則前一個比特對應rsm系統中的天線索引映射，後兩個比特對應qpsk調製符號映射，因此rsm映射之後對應的接收端激活天線為第2根，對應的qpsk符號為-1+i。
接下來進行混合預編碼。首先設計模擬預編碼矩陣w，現考慮等距天線陣列的情況，可利用天線陣列響應矩陣來設計模擬預編碼矩陣，若要波束成形指向φ0，則設置模擬預編碼矩陣為w＝ams(φ0)。
已知毫米波信道矩陣為:
其中
又
則其是一個主對角佔優的矩陣。
將看作等效信道矩陣其維度為nr×l，在大規模天線陣列毫米波通信系統中，多徑數是遠遠小於發射天線數的，則對該系統做模擬預編碼後的等效信道矩陣相當於對原信道矩陣進行了降維操作。在設計數字端的迫零預編碼矩陣fzf時直接對等效信道作處理，能極大地降低了系統的複雜度，則有:
其中，為歸一化因子。
在進行混合預編碼之後，系統的接收信號可以寫成：
仿真結果見說明書附圖的圖2和圖3，圖2給出了本發明混合預編碼後毫米波rsm系統的ber性能，可以看出：在高snr的情況下，本發明的混合預編碼毫米波rsm系統有較好的ber性能。圖3給出了混合預編碼前後毫米波rsm系統ber性能對比示意圖，可以看出：預編碼前後的ber性能幾乎沒有差別，即與傳統設計相比，本發明幾乎沒有性能損失，而在設計數字預編碼矩陣時，等效信道矩陣的維度遠遠小於原信道矩陣的維度，這樣能有效地降低系統的複雜度。
綜上所述：和傳統設計相比，本發明在幾乎沒有ber性能損失的情況下，較大程度地降低了系統的複雜度。