本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于MIMO系統(tǒng)的基于可重構(gòu)天線的混合預(yù)編碼的技術(shù)。

背景技術(shù)：

大規(guī)模MIMO(多輸入多輸出，Multiple-Input Multiple-Output)因其具有能成倍提高無線系統(tǒng)的頻譜和功率效率的顯著能力，而引起廣泛關(guān)注。理論上，使用全數(shù)字預(yù)編碼，大規(guī)模MIMO的優(yōu)勢可被最大化。然而，全數(shù)字預(yù)編碼需要用于每一天線單元的專用RF(射頻，Radio Frequency)鏈路，而導(dǎo)致成本增加、硬件復(fù)雜化，以及功率消耗提高。從實現(xiàn)角度，更期待一種需要數(shù)量少得多的RF鏈路，但仍能夠保持大部分全數(shù)字預(yù)編碼增益的預(yù)編碼技術(shù)。

混合模擬/數(shù)字預(yù)編碼通過將部分空間信號處理從基帶移到射頻前端來降低RF鏈路數(shù)量。已證明盡管復(fù)用增益受RF鏈路數(shù)量限制，但通過適當(dāng)處理，混合預(yù)編碼仍能夠?qū)崿F(xiàn)全分集與陣列增益。通過使用模擬相移網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)模擬預(yù)編碼?；旌项A(yù)編碼的性能嚴(yán)重依賴相移網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。圖1和圖2示出了兩種典型的混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)(圖1與圖2中的S表示經(jīng)基帶處理后的數(shù)據(jù)流的數(shù)量)，其中，圖1中的相移網(wǎng)絡(luò)為復(fù)雜相移網(wǎng)絡(luò)，圖2中的相移網(wǎng)絡(luò)為簡單相移網(wǎng)絡(luò)。對于復(fù)雜相移網(wǎng)絡(luò)，混合預(yù)編碼能夠?qū)崿F(xiàn)接近全數(shù)字預(yù)編碼的性能。然而，在此情形下，相移網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)帶來新的挑戰(zhàn)。另一方面，簡單的相移網(wǎng)絡(luò)雖然易于實現(xiàn)，但是結(jié)果性能不大具有吸引力。

可重構(gòu)天線因其能夠根據(jù)需求調(diào)整自身的電學(xué)參數(shù)(如輻射方向圖、工作頻率、極化方向等)的能力，近來受到廣泛關(guān)注。使用傳統(tǒng)天線技術(shù)，需要一個天線陣列來調(diào)整輻射方向圖(radiation pattern)。 通過適當(dāng)改變映射至不同天線的信號的相位和幅度，能夠?qū)⑤椛浞较驁D調(diào)整為指向特定方向。使用可重構(gòu)天線(RA，reconfigurable antenna)，通過調(diào)整每一天線單元的電學(xué)參數(shù)，能夠調(diào)整其輻射方向圖，這能夠大幅度降低無線系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，因為可使用單一天線單元來實現(xiàn)天線陣列的類似效果。對于多個RA單元，即RA陣列，不同單元可具有相同或不同的輻射方向圖。現(xiàn)有技術(shù)如申請?zhí)枮?01410427818.1的中國專利申請^[1]提出了一種小小區(qū)(small cell)中的基于RA的波束成形技術(shù)，包括天線結(jié)構(gòu)、用戶位置估計，以及波束轉(zhuǎn)換機制，相似的結(jié)果也在文獻^[1]Mobile relay station with radiation pattern reconfigurable antenna(IEEE VTC spring,2014,第1-5頁)中有公開。中國專利申請和文獻^[1]中提出的RA技術(shù)能夠根據(jù)用戶實時位置調(diào)整每一天線單元的輻射方向圖，如圖3示出使用中國專利申請^[1]和文獻^[1]公開的RA技術(shù)可得到的一些簡單輻射方向圖，其結(jié)構(gòu)簡單且成本低，便于在實時系統(tǒng)中實現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于MIMO系統(tǒng)的基于可重構(gòu)天線的混合預(yù)編碼的方法與設(shè)備。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于MIMO系統(tǒng)的基于可重構(gòu)天線的混合預(yù)編碼的方法，其中，所述MIMO系統(tǒng)中的天線為可重構(gòu)天線，其中，該方法包括以下步驟：

a基于用戶的信道狀態(tài)信息確定所述MIMO系統(tǒng)中基站端的每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖；

b根據(jù)所述信道狀態(tài)信息與所述輻射方向圖，分別計算模擬預(yù)編碼矩陣與數(shù)字預(yù)編碼矩陣；

c根據(jù)所述數(shù)字預(yù)編碼矩陣對所述基站端的待發(fā)射數(shù)據(jù)進行數(shù)字預(yù)編碼處理，以獲得經(jīng)數(shù)字預(yù)編碼處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)；

d根據(jù)所述模擬預(yù)編碼矩陣，對經(jīng)數(shù)字預(yù)編碼處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)進行模擬預(yù)編碼處理。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種用于MIMO系統(tǒng)的基于可重構(gòu)天線的混合預(yù)編碼的設(shè)備，其中，所述MIMO系統(tǒng)中的天線為可重構(gòu)天線，其中，該設(shè)備包括：

輻射方向圖確定裝置，用于基于用戶的信道狀態(tài)信息確定所述MIMO系統(tǒng)中基站端的每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖；

矩陣計算裝置，用于根據(jù)所述信道狀態(tài)信息與所述輻射方向圖，分別計算模擬預(yù)編碼矩陣與數(shù)字預(yù)編碼矩陣；

數(shù)字預(yù)編碼處理裝置，用于根據(jù)所述數(shù)字預(yù)編碼矩陣對所述基站端的待發(fā)射數(shù)據(jù)進行數(shù)字預(yù)編碼處理，以獲得經(jīng)數(shù)字預(yù)編碼處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)；

模擬預(yù)編碼處理裝置，用于根據(jù)所述模擬預(yù)編碼矩陣，對經(jīng)數(shù)字預(yù)編碼處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)進行模擬預(yù)編碼處理。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將RA應(yīng)用于混合預(yù)編碼，利用RA特性克服因相移網(wǎng)絡(luò)強加的限制所帶來的混合預(yù)編碼的性能損失，相對于現(xiàn)有混合預(yù)編碼方案，實現(xiàn)了更好的性能，而不增加硬件成本和復(fù)雜性，且在混合預(yù)編碼的性能和復(fù)雜性之間能夠提供良好平衡。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1示出現(xiàn)有技術(shù)中一種相移網(wǎng)絡(luò)為復(fù)雜相移網(wǎng)絡(luò)的混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出現(xiàn)有技術(shù)中一種相移網(wǎng)絡(luò)為簡單相移網(wǎng)絡(luò)的混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3示出使用中國專利申請^[1]和文獻^[1]公開的RA技術(shù)可得到的輻射方向圖；

圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個方面的一種用于MIMO系統(tǒng)的基于可重構(gòu)天線的混合預(yù)編碼的設(shè)備示意圖；

圖5示出本發(fā)明一個實施例的混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6示出本發(fā)明的混合預(yù)編碼(采用可重構(gòu)天線)與現(xiàn)有技術(shù)中采用傳統(tǒng)天線的混合預(yù)編碼之間的性能結(jié)果比較示意圖；

圖7示出根據(jù)本發(fā)明另一個方面的一種用于MIMO系統(tǒng)的基于可重構(gòu)天線的混合預(yù)編碼的方法流程圖。

附圖中相同或相似的附圖標(biāo)記代表相同或相似的部件。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個方面的一種用于MIMO系統(tǒng)的基于可重構(gòu)天線的混合預(yù)編碼的設(shè)備1，其中，所述MIMO系統(tǒng)中的天線為可重構(gòu)天線，其中，設(shè)備1包括輻射方向圖確定裝置11、矩陣計算裝置12、數(shù)字預(yù)編碼處理裝置13和模擬預(yù)編碼處理裝置14。具體地，輻射方向圖確定裝置11基于用戶的信道狀態(tài)信息確定所述MIMO系統(tǒng)中基站端的每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖；矩陣計算裝置12根據(jù)所述信道狀態(tài)信息與所述輻射方向圖，分別計算模擬預(yù)編碼矩陣與數(shù)字預(yù)編碼矩陣；數(shù)字預(yù)編碼處理裝置13根據(jù)所述數(shù)字預(yù)編碼矩陣對所述基站端的待發(fā)射數(shù)據(jù)進行數(shù)字預(yù)編碼處理，以獲得經(jīng)數(shù)字預(yù)編碼處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)；模擬預(yù)編碼處理裝置14根據(jù)所述模擬預(yù)編碼矩陣，對經(jīng)數(shù)字預(yù)編碼處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)進行模擬預(yù)編碼處理。

在此，設(shè)備1是指能夠?qū)A技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)有混合預(yù)編碼方案中的設(shè)備。在此，設(shè)備1包括一種能夠按照事先設(shè)定或存儲的指令，自動進行數(shù)值計算和信息處理的電子設(shè)備，其硬件包括但不限于微處理器、專用集成電路(ASIC)、可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字處理器(DSP)、嵌入式設(shè)備等。

具體地，輻射方向圖確定裝置11基于用戶的信道狀態(tài)信息確定所述MIMO系統(tǒng)中基站端的每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖，如將MIMO系統(tǒng)的有效信道的平均容量取得最大值時的輻射方向圖作為所述輻射方向圖。在此，所述有效信道是指經(jīng)過模擬預(yù)編碼后的信道。

在此，以圖2所示混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)為例，示出本發(fā)明如何基于用戶 的信道狀態(tài)信息確定MIMO系統(tǒng)中基站端的每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖。

考慮采用正交頻分復(fù)用(OFDM)的、具有N_FFT個子載波的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的下行鏈路(DL)，假設(shè)采用時分雙工模式(TDD)，因此，基站能夠從上行鏈路探測信號獲得用戶的信道狀態(tài)信息(CSI)，假設(shè)該MIMO系統(tǒng)中基站配置N個可重構(gòu)天線、S個RF鏈路，其中，S<N，K個單天線用戶同時使用混合多用戶預(yù)編碼在相同時頻資源上被服務(wù)，其中，K≤S。在該預(yù)編碼結(jié)構(gòu)下，MIMO處理被分為模擬預(yù)編碼和數(shù)字預(yù)編碼，如下所示：

W_w＝CB_w (1)

其中，W_w＝CB_w表示在第w個子載波上的N×K維預(yù)編碼矩陣，C為N×S維寬帶模擬預(yù)編碼矩陣，B_w為在第w個子載波上的S×K維窄帶預(yù)編碼矩陣。由于在反數(shù)字傅里葉變換(IDFT)之后，模擬預(yù)編碼被執(zhí)行，相同的模擬預(yù)編碼矩陣C被所有子載波共享。基于圖2所示的預(yù)編碼結(jié)構(gòu)，模擬預(yù)編碼矩陣符合以下結(jié)構(gòu)：

其中，c_s(s＝1～S)為N/S×1矢量(注意，在圖1所示的相移網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，不存在對C的結(jié)構(gòu)的限制，因此，圖1所示的結(jié)構(gòu)的性能總是優(yōu)于圖2所示的結(jié)構(gòu)，其代價是更復(fù)雜的相移網(wǎng)絡(luò))。

信道模型

首先，引入表示天線輻射方向圖與信道響應(yīng)之間關(guān)系的信道模型，假設(shè)p_n(θ)表示第n個RA單元對應(yīng)方向角θ的天線增益，則基站和用戶k之間在第w個子載波上的信道響應(yīng)矢量可表示為：

其中，τ_k,l,θ_k,l和β_k,l分別標(biāo)記用戶k的第l個傳播路徑的延時、方向角和(復(fù))幅度，P(θ)表示以p_n(θ)為第n個對角項的對角矩陣，f(w,τ)＝exp(-ι2π(w-1)Wτ/N_FFT)，W為系統(tǒng)帶寬，a(θ)為對應(yīng)方向角θ的天線陣列響應(yīng)矢量，假設(shè)天線陣列是均勻線性陣列，有 a(θ)＝[1exp(-ι2πθ)…exp(-ι(N-1)2πθ)]^T。在公式(3)中，表示用戶k的第l個路徑的物理到達角，α＝d/λ，λ為傳播波長。通過在固定均勻間隔虛擬角上基于虛擬路徑描述信道，則有

并標(biāo)記公式(3)可被寫為

其中，S_k(q)為傳播路徑集，被定義為：

x_k,l＝A^Ha(θ_k,l) (7)

在公式(5)中，(a)基于x_k,l僅具有一個主要元素，并且該主要元素的位置q滿足l∈S_k(q)的事實而導(dǎo)出；利用以下近似，(b)被導(dǎo)出：

若

根據(jù)公式(5)，可得到：

其中，

輻射方向圖確定

本發(fā)明中輻射方向圖{p_n(θ),n＝1～N}被設(shè)計以使得模擬預(yù)編碼后的有效信道的平均容量取得最大值。利用克羅內(nèi)克(Kronecker)模型，信道矩陣可表示為：

其中，

且

為發(fā)射端和接收端的相關(guān)矩陣，的元素為具有單位方差的獨立同分布(i.i.d.)復(fù)高斯變量。對R^(t)執(zhí)行奇異值分解(SVD)，則有：

R^(t)＝UΛU^H (16)

有效信道的平均容量的上邊界為：

其中，P_C＝|C|² (18)

λ_s為R^(v)的第s個最大特征值。不考慮公式(2)中C的限制，通過選擇C使其符合以下公式(19)，(17)公式中(a)對應(yīng)的等式可被保持：

C＝U(:,1:S) (19)

問題是使用公式(19)計算的C一般不滿足公式(2)中的塊對角結(jié)構(gòu)的要求，除非U也具有公式(2)中的塊對角結(jié)構(gòu)。因此，為使有效信道的平均容量取得最大值，輻射方向圖需滿足以下兩項：選擇{p_n(θ),n＝1～N}使得：

●U為具有公式(2)中結(jié)構(gòu)的塊對角矩陣或近似塊對角矩陣；

●{λ_s,s＝1～S}最大。

標(biāo)記

則

對R^(v)執(zhí)行SVD，則有：R^(v)＝U^(v)Λ^(v)(U^(v))^H

因為零均值獨立隨機變量，R^(v)是(或近似)對角矩陣，因此U^(v)中的每一特征矢量僅具有一個主要非零項。該主要非零項的位置對于不同特征矢量是不同的。假設(shè)用q_s標(biāo)記U^(v)中第s個特征矢量的主要非零項的位置，則q_s的值代表第s個特征矢量的主要方向角(注意盡管在LOS(視距，line of sight，LOS)信道中，具有非零均值，R^(v)仍接近于對角矩陣，因為在l>1時具有零均值)。

首先考慮一般情形，也即p_n(θ)可取任意非負數(shù)。在該情形下，選擇

p_n(θ)滿足：

對于n＝(s-1)N/S+1～sN/S (22)

其中，p_qs為正的實常數(shù)，使得即在所有方向上的總的天線增益為常數(shù)，與輻射方向圖無關(guān)。利用公式(22)，滿足以下形式：

對于n＝(s-1)N/S+1～sN/S (23)

則可得到：

從公式(24)可看到，公式(16)中的U為具有與公式(2)中結(jié)構(gòu)相同的塊對角矩陣?？紤]到在所有方向上的一個天線單元的總天線增益為常數(shù)、而與輻射方向圖無關(guān)的因素，公式(24)中的{λ_s,s＝1～S}也取得最大值。

使用在中國專利申請^[1]中公開的RA技術(shù)，可得到輻射方向圖由以下公式表示：

其中，f(θ)表示朝向角θ的天線增益，可根據(jù)信道狀態(tài)信息被調(diào)整以改變RA單元的輻射方向圖，a為歸一化因數(shù)。可根據(jù)以下公式(26)來選擇

對于n＝(s-1)N/S+1～sN/S (26)在該情形下，Q為非嚴(yán)格的對角矩陣，但對角項是主要的。非對角項的大小取決于{q_s,s＝1～S}之間的間隔。若輻射方向圖的波瓣可被進一步縮窄，即其中a>2。Q將更接近對角矩陣。

在實踐中，很難設(shè)計RA單元使得公式(25)中的取得任意值。典型 地，可根據(jù)中國專利申請^[1]來設(shè)計RA，從有限集合S中取值。此時，公式(26)可表示為：

對于n＝(s-1)N/S+1～sN/S (27)

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能理解上述確定MIMO系統(tǒng)中基站端的每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖的方式僅為舉例，其他現(xiàn)有的或今后可能出現(xiàn)的確定MIMO系統(tǒng)中基站端的每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖的方式如可適用于本發(fā)明，也應(yīng)包含在本發(fā)明保護范圍以內(nèi)，并在此以引用方式包含于此。

優(yōu)選地，所述可重構(gòu)天線為由至少兩個可重構(gòu)天線單元組成的可重構(gòu)天線陣列；其中，輻射方向圖確定裝置11基于用戶的信道狀態(tài)信息確定所述MIMO系統(tǒng)中基站端的每一可重構(gòu)天線單元的輻射方向圖。在此，輻射方向圖確定裝置11確定每一可重構(gòu)天線單元的輻射方向圖的方式與前述輻射方向圖確定裝置11確定每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖的方式相同或近似，為簡明起見，故在此不再贅述，并以引用的方式包含與此。

接著，矩陣計算裝置12根據(jù)所述信道狀態(tài)信息與所述輻射方向圖，分別計算模擬預(yù)編碼矩陣與數(shù)字預(yù)編碼矩陣。

在此，矩陣計算裝置12可根據(jù)在國際申請?zhí)枮镻CT/CN2014/079877的國際專利申請^[2]公開的算法來分別計算模擬預(yù)編碼矩陣與數(shù)字預(yù)編碼矩陣，如模擬預(yù)編碼矩陣與信道的二階統(tǒng)計相適應(yīng)，即模擬預(yù)編碼矩陣為：C＝U(:,1:S) (28)

其中，U在公式(16)中被定義。

在具體實施例中，本發(fā)明中的模擬預(yù)編碼矩陣由相移網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，不同結(jié)構(gòu)的相移網(wǎng)絡(luò)均可用于本發(fā)明。

數(shù)字預(yù)編碼矩陣與經(jīng)過模擬預(yù)編碼后的有效信道相適配。在此，任何現(xiàn)有多用戶預(yù)編碼算法可被用于計算數(shù)字預(yù)編碼矩陣。例如，運用信道求逆算法，數(shù)字預(yù)編碼矩陣{B_w}可被計算為如以下公式表示：

B_w＝(H_wC)^H(H_wC(H_wC)^H)^-1P^1/2 (29)

其中，P為具有表示K個用戶的傳輸功率的對角元的對角矩陣。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能理解上述計算模擬預(yù)編碼矩陣與數(shù)字預(yù)編碼矩陣的方式僅為舉例，其他現(xiàn)有的或今后可能出現(xiàn)的計算模擬預(yù)編碼矩陣與數(shù)字預(yù)編碼矩陣的方式如可適用于本發(fā)明，也應(yīng)包含在本發(fā)明保護范圍以內(nèi)，并在此以引用方式包含于此。

然后，數(shù)字預(yù)編碼處理裝置13根據(jù)所述數(shù)字預(yù)編碼矩陣對所述基站端的待發(fā)射數(shù)據(jù)進行數(shù)字預(yù)編碼處理，以獲得經(jīng)數(shù)字預(yù)編碼處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)，如利用公式(29)所示的數(shù)字預(yù)編碼矩陣對基站端的待發(fā)射數(shù)據(jù)進行數(shù)字預(yù)編碼處理。

模擬預(yù)編碼處理裝置14根據(jù)所述模擬預(yù)編碼矩陣，對經(jīng)數(shù)字預(yù)編碼處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)進行模擬預(yù)編碼處理，如利用公式(28)所示的模擬預(yù)編碼矩陣對經(jīng)公式(29)所示的數(shù)字預(yù)編碼矩陣處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)進行模擬預(yù)編碼處理。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)確定，在具體實施例中，輻射方向圖確定裝置11、矩陣計算裝置12和數(shù)字預(yù)編碼處理裝置13可同時位于基帶處理模塊中，模擬預(yù)編碼處理裝置14位于RF前端。

設(shè)備1的各個裝置之間是持續(xù)不斷工作的。具體地，輻射方向圖確定裝置11持續(xù)基于用戶的信道狀態(tài)信息確定所述MIMO系統(tǒng)中基站端的每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖；矩陣計算裝置12持續(xù)根據(jù)所述信道狀態(tài)信息與所述輻射方向圖，分別計算模擬預(yù)編碼矩陣與數(shù)字預(yù)編碼矩陣；數(shù)字預(yù)編碼處理裝置13持續(xù)根據(jù)所述數(shù)字預(yù)編碼矩陣對所述基站端的待發(fā)射數(shù)據(jù)進行數(shù)字預(yù)編碼處理，以獲得經(jīng)數(shù)字預(yù)編碼處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)；模擬預(yù)編碼處理裝置14持續(xù)根據(jù)所述模擬預(yù)編碼矩陣，對經(jīng)數(shù)字預(yù)編碼處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)進行模擬預(yù)編碼處理。在此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，所述“持續(xù)”是指設(shè)備1的各裝置之間分別不斷地進行輻射方向圖的確定、模擬預(yù)編碼矩陣與數(shù)字預(yù)編碼矩陣的計算，及預(yù)編碼處理，直至設(shè)備1在較長時間內(nèi)停止確定所述輻射方向圖。

優(yōu)選地，所述MIMO系統(tǒng)還包括輻射方向圖控制模塊，其中，設(shè)備1還包括發(fā)送裝置(未示出)。具體地，發(fā)送裝置將所述每一可重構(gòu)天線 的輻射方向圖發(fā)送至所述輻射圖控制模塊，以由所述輻射方向圖控制模塊基于所述輻射方向圖控制相應(yīng)可重構(gòu)天線的輻射方向。在具體實施例中，發(fā)送裝置與輻射方向圖確定裝置11相連接，如圖5示出本發(fā)明一個實施例的混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)示意圖。

本發(fā)明有益效果

在此，通過仿真結(jié)果具體說明本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)的有益效果。

考慮具有N_FFT＝1024個子載波且N_T＝64個基站天線的大規(guī)模MIMO OFDM系統(tǒng)的DL傳輸，假設(shè)一個小區(qū)中共有10個單天線用戶，基站使用混合多用戶預(yù)編碼來同時支持多個用戶，RF鏈路數(shù)量設(shè)置為S＝16<<64，分別采用傳統(tǒng)天線和輻射方向圖可重構(gòu)天線。對于RA，假設(shè)輻射方向圖遵循公式(25)，可從集合S中取值，集合的大小為Q，設(shè)置S＝{θ|-π/2≤θ≤π/2}、Q為無窮的，以及S＝{-π/3,0,π/3}、Q＝3兩種情形。

如圖6示出基于圖1所示的結(jié)構(gòu)(記為Archi-1)和圖2所示的結(jié)構(gòu)(記為Archi-2)分別采用傳統(tǒng)天線和采用可重構(gòu)天線的該大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的平均容量。其中，圖6中的Archi-1w/o RA表示大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的預(yù)編碼結(jié)構(gòu)基于圖1所示的結(jié)構(gòu)但采用傳統(tǒng)天線，Archi-1w RA表示大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的預(yù)編碼結(jié)構(gòu)基于圖1所示的結(jié)構(gòu)但采用RA天線，類似地，Archi-2w/o RA表示大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的預(yù)編碼結(jié)構(gòu)基于圖2所示的結(jié)構(gòu)但采用傳統(tǒng)天線，Archi-2w RA表示大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的預(yù)編碼結(jié)構(gòu)基于圖2所示的結(jié)構(gòu)但采用RA天線。從圖6可以看出，對于該兩種結(jié)構(gòu)，RA可帶來較大性能增益，具體地，如采用RA的Archi-2可實現(xiàn)與采用傳統(tǒng)天線的Archi-1相似的性能。由于Archi-2比Archi-1易于實現(xiàn)、且RA單元相對于傳統(tǒng)天線，所引入成本和復(fù)雜性增加非常有限，因此，本發(fā)明所提出的基于RA的混合預(yù)編碼技術(shù)在混合預(yù)編碼的性能和復(fù)雜性之間能夠提供良好平衡，并能顯著降低混合預(yù)編碼的復(fù)雜性但沒有太多性能損失。從圖6還可以看出，的有限分辨率雖能降低基于RA的混合預(yù)編碼性能，但性能損失是相對較小的。

根據(jù)以上仿真結(jié)果，本發(fā)明所提出的基于RA的混合預(yù)編碼技術(shù)不僅能顯著提高混合預(yù)編碼的性能，而根據(jù)仿真結(jié)果，在具有16個RF鏈路的64天線系統(tǒng)中，本發(fā)明所提出的技術(shù)能夠相對于基于傳統(tǒng)天線而未改變電學(xué)特性的傳統(tǒng)混合預(yù)編碼技術(shù)提高23％性能，使用數(shù)量少的RF鏈路仍實現(xiàn)大規(guī)模MIMO的大部分增益；而且，由于基于RA技術(shù)的低成本和簡單結(jié)構(gòu)，本發(fā)明不增加硬件成本和復(fù)雜性，在混合預(yù)編碼的性能和復(fù)雜性之間能夠提供良好平衡。

圖7示出根據(jù)本發(fā)明另一個方面的一種用于MIMO系統(tǒng)的基于可重構(gòu)天線的混合預(yù)編碼的方法流程圖。

其中，該方法包括步驟S1、步驟S2、步驟S3和步驟S4。具體地，在步驟S1中，設(shè)備1基于用戶的信道狀態(tài)信息確定所述MIMO系統(tǒng)中基站端的每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖；在步驟S2中，設(shè)備1根據(jù)所述信道狀態(tài)信息與所述輻射方向圖，分別計算模擬預(yù)編碼矩陣與數(shù)字預(yù)編碼矩陣；在步驟S3中，設(shè)備1根據(jù)所述數(shù)字預(yù)編碼矩陣對所述基站端的待發(fā)射數(shù)據(jù)進行數(shù)字預(yù)編碼處理，以獲得經(jīng)數(shù)字預(yù)編碼處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)；在步驟S4中，設(shè)備1根據(jù)所述模擬預(yù)編碼矩陣，對經(jīng)數(shù)字預(yù)編碼處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)進行模擬預(yù)編碼處理。

在此，設(shè)備1是指能夠?qū)A技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)有混合預(yù)編碼方案中的設(shè)備。在此，設(shè)備1包括一種能夠按照事先設(shè)定或存儲的指令，自動進行數(shù)值計算和信息處理的電子設(shè)備，其硬件包括但不限于微處理器、專用集成電路(ASIC)、可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字處理器(DSP)、嵌入式設(shè)備等。

具體地，在步驟S1中，設(shè)備1基于用戶的信道狀態(tài)信息確定所述MIMO系統(tǒng)中基站端的每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖，如將MIMO系統(tǒng)的有效信道的平均容量取得最大值時的輻射方向圖作為所述輻射方向圖。在此，所述有效信道是指經(jīng)過模擬預(yù)編碼后的信道。

在此，以圖2所示混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)為例，示出本發(fā)明如何基于用戶的信道狀態(tài)信息確定MIMO系統(tǒng)中基站端的每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖。

考慮采用正交頻分復(fù)用(OFDM)的、具有N_FFT個子載波的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的下行鏈路(DL)，假設(shè)采用時分雙工模式(TDD)，因此，基站能夠從上行鏈路探測信號獲得用戶的信道狀態(tài)信息(CSI)，假設(shè)該MIMO系統(tǒng)中基站配置N個可重構(gòu)天線、S個RF鏈路，其中，S<N，K個單天線用戶同時使用混合多用戶預(yù)編碼在相同時頻資源上被服務(wù)，其中，K≤S。在該預(yù)編碼結(jié)構(gòu)下，MIMO處理被分為模擬預(yù)編碼和數(shù)字預(yù)編碼，如下所示：

W_w＝CB_w (30)

其中，W_w＝CB_w表示在第w個子載波上的N×K維預(yù)編碼矩陣，C為N×S維寬帶模擬預(yù)編碼矩陣，B_w為在第w個子載波上的S×K維窄帶預(yù)編碼矩陣。由于在反數(shù)字傅里葉變換(IDFT)之后，模擬預(yù)編碼被執(zhí)行，相同的模擬預(yù)編碼矩陣C被所有子載波共享。基于圖2所示的預(yù)編碼結(jié)構(gòu)，模擬預(yù)編碼矩陣符合以下結(jié)構(gòu)：

其中，c_s(s＝1～S)為N/S×1矢量(注意，在圖1所示的相移網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，不存在對C的結(jié)構(gòu)的限制，因此，圖1所示的結(jié)構(gòu)的性能總是優(yōu)于圖2所示的結(jié)構(gòu)，其代價是更復(fù)雜的相移網(wǎng)絡(luò))。

信道模型

首先，引入表示天線輻射方向圖與信道響應(yīng)之間關(guān)系的信道模型，假設(shè)p_n(θ)表示第n個RA單元對應(yīng)方向角θ的天線增益，則基站和用戶k之間在第w個子載波上的信道響應(yīng)矢量可表示為：

其中，τ_k,l,θ_k,l和β_k,l分別標(biāo)記用戶k的第l個傳播路徑的延時、方向角和(復(fù))幅度，P(θ)表示以p_n(θ)為第n個對角項的對角矩陣，f(w,τ)＝exp(-ι2π(w-1)Wτ/N_FFT)，W為系統(tǒng)帶寬，a(θ)為對應(yīng)方向角θ的天線陣列響應(yīng)矢量，假設(shè)天線陣列是均勻線性陣列，有a(θ)＝[1exp(-ι2πθ)Lexp(-ι(N-1)2πθ)]^T。在公式(3)中，表示用戶k的第l個路徑的物理到達角，α＝d/λ，λ為傳播波長。通過在固定均勻間隔虛 擬角上基于虛擬路徑描述信道，則有

并標(biāo)記公式(32)可被寫為

其中，S_k(q)為傳播路徑集，被定義為：

x_k,l＝A^Ha(θ_k,l) (36)

在公式(34)中，(a)基于x_k,l僅具有一個主要元素，并且該主要元素的位置q滿足l∈S_k(q)的事實而導(dǎo)出；利用以下近似，(b)被導(dǎo)出：

若l∈S_k(q)，

根據(jù)公式(34)，可得到：

其中，

輻射方向圖確定

本發(fā)明中輻射方向圖{p_n(θ),n＝1～N}被設(shè)計以使得模擬預(yù)編碼后的有效信道的平均容量取得最大值。利用克羅內(nèi)克(Kronecker)模型，信道矩陣可表示為：

其中，

且

為發(fā)射端和接收端的相關(guān)矩陣，的元素為具有單位方差的獨立同分布(i.i.d.)復(fù)高斯變量。對R^(t)執(zhí)行奇異值分解(SVD)，則有：

R^(t)＝UΛU^H (45)

有效信道的平均容量的上邊界為：

其中，P_C＝|C|² (47)

λ_s為R^(v)的第s個最大特征值。不考慮公式(31)中C的限制，通過選擇C使其符合以下公式(48)，(46)公式中(a)對應(yīng)的等式可被保持：

C＝U(:,1:S) (48)

問題是使用公式(19)計算的C一般不滿足公式(31)中的塊對角結(jié)構(gòu)的要求，除非U也具有公式(31)中的塊對角結(jié)構(gòu)。因此，為使有效信道的平均容量取得最大值，輻射方向圖需滿足以下兩項：選擇{p_n(θ),n＝1～N}使得：

●U為具有公式(31)中結(jié)構(gòu)的塊對角矩陣或近似塊對角矩陣；

●{λ_s,s＝1～S}最大。

標(biāo)記

則

對R^(v)執(zhí)行SVD，則有：R^(v)＝U^(v)Λ^(v)(U^(v))^H

因為零均值獨立隨機變量，R^(v)是(或近似)對角矩陣，因此U^(v)中的每一特征矢量僅具有一個主要非零項。該主要非零項的位置對于不同特征矢量是不同的。假設(shè)用q_s標(biāo)記U^(v)中第s個特征矢量的主要非零項的位置，則q_s的值代表第s個特征矢量的主要方向角(注意盡管在LOS(視距，line of sight，LOS)信道中，具有非零均值，R^(v)仍接近于對角矩陣，因為在l>1時具有零均值)。

首先考慮一般情形，也即p_n(θ)可取任意非負數(shù)。在該情形下，選擇p_n(θ)滿足：

對于n＝(s-1)N/S+1～sN/S (51)

其中，p_qs為正的實常數(shù)，使得即在所有方向上的總的天線增益為常數(shù)，與輻射方向圖無關(guān)。利用公式(51)，滿足以下形式：

對于n＝(s-1)N/S+1～sN/S (52)

則可得到：

從公式(53)可看到，公式(45)中的U為具有與公式(31)中結(jié)構(gòu)相同的塊對角矩陣?？紤]到在所有方向上的一個天線單元的總天線增益為常數(shù)、而與輻射方向圖無關(guān)的因素，公式(53)中的{λ_s,s＝1～S}也取得最大值。

使用在中國專利申請^[1]中公開的RA技術(shù)，可得到輻射方向圖由以下公式表示：

其中，f(θ)表示朝向角θ的天線增益，可根據(jù)信道狀態(tài)信息被調(diào)整以改變RA單元的輻射方向圖，a為歸一化因數(shù)?？筛鶕?jù)以下公式(26)來選擇

對于n＝(s-1)N/S+1～sN/S (55)

在該情形下，Q為非嚴(yán)格的對角矩陣，但對角項是主要的。非對角項的大小取決于{q_s,s＝1～S}之間的間隔。若輻射方向圖的波瓣可被進一步縮窄，即其中a>2。Q將更接近對角矩陣。

在實踐中，很難設(shè)計RA單元使得公式(54)中的取得任意值。典型地，可根據(jù)中國專利申請^[1]來設(shè)計RA，從有限集合S中取值。此時，公式(55)可表示為：

對于n＝(s-1)N/S+1～sN/S (56)

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能理解上述確定MIMO系統(tǒng)中基站端的每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖的方式僅為舉例，其他現(xiàn)有的或今后可能出現(xiàn)的確定MIMO系統(tǒng)中基站端的每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖的方式如可適用于本發(fā)明，也應(yīng)包含在本發(fā)明保護范圍以內(nèi)，并在此以引用方式包含于此。

優(yōu)選地，所述可重構(gòu)天線為由至少兩個可重構(gòu)天線單元組成的可重構(gòu)天線陣列；其中，在步驟S1中，設(shè)備1基于用戶的信道狀態(tài)信息確定所述MIMO系統(tǒng)中基站端的每一可重構(gòu)天線單元的輻射方向圖。在此，在步驟S1中，設(shè)備1確定每一可重構(gòu)天線單元的輻射方向圖的方式與前述在步驟S1中，設(shè)備1確定每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖的方式相同或近似，為簡明起見，故在此不再贅述，并以引用的方式包含與此。

接著，在步驟S2中，設(shè)備1根據(jù)所述信道狀態(tài)信息與所述輻射方向圖，分別計算模擬預(yù)編碼矩陣與數(shù)字預(yù)編碼矩陣。

在此，在步驟S2中，設(shè)備1可根據(jù)在國際申請?zhí)枮镻CT/CN2014/079877的國際專利申請^[2]公開的算法來分別計算模擬預(yù)編碼矩陣與數(shù)字預(yù)編碼矩陣，如模擬預(yù)編碼矩陣與信道的二階統(tǒng)計相適應(yīng)，即模擬預(yù)編碼矩陣為：

C＝U(:,1:S) (57)

其中，U在公式(45)中被定義。

在具體實施例中，本發(fā)明中的模擬預(yù)編碼矩陣由相移網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，不同結(jié)構(gòu)的相移網(wǎng)絡(luò)均可用于本發(fā)明。

數(shù)字預(yù)編碼矩陣與經(jīng)過模擬預(yù)編碼后的有效信道相適配。在此，任何現(xiàn)有多用戶預(yù)編碼算法可被用于計算數(shù)字預(yù)編碼矩陣。例如，運用信道求逆算法，數(shù)字預(yù)編碼矩陣{B_w}可被計算為如以下公式表示：

B_w＝(H_wC)^H(H_wC(H_wC)^H)^-1P^1/2 (58)

其中，P為具有表示K個用戶的傳輸功率的對角元的對角矩陣。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能理解上述計算模擬預(yù)編碼矩陣與數(shù)字預(yù)編碼 矩陣的方式僅為舉例，其他現(xiàn)有的或今后可能出現(xiàn)的計算模擬預(yù)編碼矩陣與數(shù)字預(yù)編碼矩陣的方式如可適用于本發(fā)明，也應(yīng)包含在本發(fā)明保護范圍以內(nèi)，并在此以引用方式包含于此。

然后，在步驟S3中，設(shè)備1根據(jù)所述數(shù)字預(yù)編碼矩陣對所述基站端的待發(fā)射數(shù)據(jù)進行數(shù)字預(yù)編碼處理，以獲得經(jīng)數(shù)字預(yù)編碼處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)，如利用公式(58)所示的數(shù)字預(yù)編碼矩陣對基站端的待發(fā)射數(shù)據(jù)進行數(shù)字預(yù)編碼處理。

在步驟S4中，設(shè)備1根據(jù)所述模擬預(yù)編碼矩陣，對經(jīng)數(shù)字預(yù)編碼處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)進行模擬預(yù)編碼處理，如利用公式(57)所示的模擬預(yù)編碼矩陣對經(jīng)公式(58)所示的數(shù)字預(yù)編碼矩陣處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)進行模擬預(yù)編碼處理。

設(shè)備1的各個步驟之間是持續(xù)不斷工作的。具體地，在步驟S1中，設(shè)備1持續(xù)基于用戶的信道狀態(tài)信息確定所述MIMO系統(tǒng)中基站端的每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖；在步驟S2中，設(shè)備1持續(xù)根據(jù)所述信道狀態(tài)信息與所述輻射方向圖，分別計算模擬預(yù)編碼矩陣與數(shù)字預(yù)編碼矩陣；在步驟S3中，設(shè)備1持續(xù)根據(jù)所述數(shù)字預(yù)編碼矩陣對所述基站端的待發(fā)射數(shù)據(jù)進行數(shù)字預(yù)編碼處理，以獲得經(jīng)數(shù)字預(yù)編碼處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)；在步驟S4中，設(shè)備1持續(xù)根據(jù)所述模擬預(yù)編碼矩陣，對經(jīng)數(shù)字預(yù)編碼處理后的所述待發(fā)射數(shù)據(jù)進行模擬預(yù)編碼處理。在此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，所述“持續(xù)”是指設(shè)備1的各步驟之間分別不斷地進行輻射方向圖的確定、模擬預(yù)編碼矩陣與數(shù)字預(yù)編碼矩陣的計算，及預(yù)編碼處理，直至設(shè)備1在較長時間內(nèi)停止確定所述輻射方向圖。

優(yōu)選地，所述MIMO系統(tǒng)還包括輻射方向圖控制模塊，其中，設(shè)備1還包括步驟S5(未示出)。具體地，在步驟S5中，設(shè)備1將所述每一可重構(gòu)天線的輻射方向圖發(fā)送至所述輻射圖控制模塊，以由所述輻射方向圖控制模塊基于所述輻射方向圖控制相應(yīng)可重構(gòu)天線的輻射方向。如圖5示出本發(fā)明一個實施例的混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)示意圖。

需要注意的是，本發(fā)明可在軟件和/或軟件與硬件的組合體中被實施，例如，可采用專用集成電路(ASIC)、通用目的計算機或任何其他 類似硬件設(shè)備來實現(xiàn)。在一個實施例中，本發(fā)明的軟件程序可以通過處理器執(zhí)行以實現(xiàn)上文所述步驟或功能。同樣地，本發(fā)明的軟件程序(包括相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))可以被存儲到計算機可讀記錄介質(zhì)中，例如，RAM存儲器，磁或光驅(qū)動器或軟磁盤及類似設(shè)備。另外，本發(fā)明的一些步驟或功能可采用硬件來實現(xiàn)，例如，作為與處理器配合從而執(zhí)行各個步驟或功能的電路。

另外，本發(fā)明的一部分可被應(yīng)用為計算機程序產(chǎn)品，例如計算機程序指令，當(dāng)其被計算機執(zhí)行時，通過該計算機的操作，可以調(diào)用或提供根據(jù)本發(fā)明的方法和/或技術(shù)方案。而調(diào)用本發(fā)明的方法的程序指令，可能被存儲在固定的或可移動的記錄介質(zhì)中，和/或通過廣播或其他信號承載媒體中的數(shù)據(jù)流而被傳輸，和/或被存儲在根據(jù)所述程序指令運行的計算機設(shè)備的工作存儲器中。在此，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例包括一個裝置，該裝置包括用于存儲計算機程序指令的存儲器和用于執(zhí)行程序指令的處理器，其中，當(dāng)該計算機程序指令被該處理器執(zhí)行時，觸發(fā)該裝置運行基于前述根據(jù)本發(fā)明的多個實施例的方法和/或技術(shù)方案。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化涵括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。此外，顯然“包括”一詞不排除其他單元或步驟，單數(shù)不排除復(fù)數(shù)。裝置權(quán)利要求中陳述的多個單元或裝置也可以由一個單元或裝置通過軟件或者硬件來實現(xiàn)。第一，第二等詞語用來表示名稱，而并不表示任何特定的順序。