本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種大規(guī)模mimo系統(tǒng)的信道跟蹤與混合預(yù)編碼方法。

背景技術(shù)：

隨著全球無線通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，移動用戶數(shù)量呈現(xiàn)爆炸式增長，各種移動新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)。未來的5g移動通信系統(tǒng)不僅需要支持語音功能，還必須支持?jǐn)?shù)字、圖像、多媒體等數(shù)據(jù)傳輸，在傳輸效率和覆蓋范圍等方面較4g提高一個或多個量級滿足10年內(nèi)移動互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000倍的發(fā)展需求。毫米波頻段(30–300ghz)具有豐富的頻譜資源，毫米波與大規(guī)模多輸入多輸出(multipleinputmultipleoutput；mimo)相結(jié)合可以帶來巨大的空間增益、能量效率和頻譜效率，毫米波大規(guī)模mimo成為了下一代移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。

毫米波大規(guī)模mimo系統(tǒng)的性能取決于信道狀態(tài)信息的準(zhǔn)確度，信道狀態(tài)信息的獲取是當(dāng)前毫米波大規(guī)模mimo研究的重點問題。在實際通信中，用戶的持續(xù)運動使得大規(guī)模mimo信道不斷變化，且對于大規(guī)模陣列天線系統(tǒng)而言射頻鏈路的數(shù)目往往是有限的，信道時變和射頻鏈路有限給毫米波大規(guī)模mimo的理論研究和實際應(yīng)用帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

此外，為了提升傳輸效率、降低功率損耗，在已知信道狀態(tài)信息的情況下，通常在發(fā)送端對發(fā)送的信號做一個預(yù)先的處理，以方便接收機(jī)進(jìn)行信號檢測，即預(yù)編碼。研究表明，對于毫米波大規(guī)模mimo系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)簡單的線性預(yù)編碼(匹配濾波(matchedfilter；mf)預(yù)編碼、迫零(zeroforcing；zf)預(yù)編碼)的性能即可以達(dá)到非線性預(yù)編碼(臟紙編碼(dirtypapercoding；dpc))的性能。然而，這需要每個天線有自己獨自的射頻鏈路，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器,數(shù)模轉(zhuǎn)換器,混頻器和功率放大器等，這對于大規(guī)模系統(tǒng)而言，系統(tǒng)成本高昂，無法適用。為降低系統(tǒng)成本，基于數(shù)字預(yù)編碼和模擬預(yù)編碼相結(jié)合的混合預(yù)編碼引起了人們的廣泛研究。關(guān)于混合預(yù)編碼的研究主要有兩個方向：基于優(yōu)化理論的預(yù)編碼矩陣設(shè)計方法和基于離散傅里葉變換(discretefouriertransform；dft)離散格點方向傳輸?shù)幕旌项A(yù)編碼方法。基于優(yōu)化理論的方法計算復(fù)雜度較高，不易于在實際系統(tǒng)中應(yīng)用；基于dft離散格點方向傳輸?shù)姆椒ù嬖谛诺滥芰啃孤兜膯栴}，系統(tǒng)性能差。

因此，在有限射頻鏈路條件下，利用毫米波大規(guī)模mimo自身的結(jié)構(gòu)特征設(shè)計相應(yīng)的時變信道跟蹤與低復(fù)雜度高性能的混合預(yù)編碼方法成為毫米波大規(guī)模mimo在下一代移動通信中應(yīng)用的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有的信道跟蹤與預(yù)編碼方法復(fù)雜度較高且性能較差的問題，本發(fā)明提供一種信道跟蹤與混合預(yù)編碼方法及裝置。

一方面，本發(fā)明實施例提供了一種信道狀態(tài)信息跟蹤方法，該信道跟蹤方法包括：

根據(jù)入射信號的角度值和預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測規(guī)則，確定角度狀態(tài)預(yù)測信息；

根據(jù)所述角度狀態(tài)預(yù)測信息，確定信道空間旋轉(zhuǎn)信息。

根據(jù)所述信道空間旋轉(zhuǎn)信息，確定信道狀態(tài)信息。

另一方面，本發(fā)明實施例提供了一種信號的混合預(yù)編碼方法，該預(yù)編碼方法包括：

根據(jù)信道狀態(tài)信息，確定模擬預(yù)編碼參數(shù)和數(shù)字預(yù)編碼參數(shù)；所述信道狀態(tài)信息為根據(jù)入射信號的角度值和預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測規(guī)則確定的信息；

根據(jù)所述模擬預(yù)編碼參數(shù)和所述數(shù)字預(yù)編碼參數(shù)，對調(diào)度信號集合中的多個調(diào)度信號進(jìn)行混合預(yù)編碼。

本發(fā)明提供的信道跟蹤與混合預(yù)編碼方法，將信道狀態(tài)信息分解為信道增益信息和信道角度信息，利用用戶終端的運動規(guī)律和非線性無跡卡爾曼濾波，可以提升信道角度信息跟蹤的性能；基于預(yù)測和跟蹤的信道角度信息獲得信道增益信息，可以有效降低信道狀態(tài)信息獲取的訓(xùn)練開銷；此外，基于該信道狀態(tài)信息對待發(fā)送信號進(jìn)行混合預(yù)編碼，將信號傳輸至用戶的真實角度上，可以降低信號傳輸所需的射頻鏈路數(shù)目及系統(tǒng)實現(xiàn)的硬件成本，同時避免信道能量泄露對系統(tǒng)性能的影響；并且，利用角分多址和角度域傳輸可以提高通信系統(tǒng)的能量效率和頻譜效率，為毫米波大規(guī)模mimo信道跟蹤和信號傳輸提供了一種切實可行的解決方案。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的信道狀態(tài)信息跟蹤方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明一實施例提供的空間旋轉(zhuǎn)示意圖；

圖3為本發(fā)明另一實施例提供的空間旋轉(zhuǎn)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的信道跟蹤的示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的信道角度跟蹤的示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例提供的信道跟蹤均方誤差的趨勢圖；

圖7為本發(fā)明實施例提供的混合預(yù)編碼方法的流程示意圖；

圖8為本發(fā)明實施例提供的系統(tǒng)和速率的示意圖；

圖9為本發(fā)明實施例提供的單小區(qū)毫米波大規(guī)模mimo系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明實施例提供的信道狀態(tài)信息跟蹤方法是基于“saleh-valenzuela”(s-v)信道模型的，該信道模型認(rèn)為用戶終端發(fā)送的入射信號k與基站間的信道可以表征為：

式中表示入射信號k的直射徑，增益為為入射信號k的非直射徑，增益為l為非直射徑的總數(shù)；為大規(guī)模等距線陣(uniformlineararray；ula)的導(dǎo)向矢量，其第n個元素可以表示為：

式中為第l條入射徑的角度值，λ為波長，d為天線陣元間距。

基于該s-v信道模型，信道狀態(tài)信息由信道角度信息和信道增益信息完全確定。因此，信道跟蹤可以轉(zhuǎn)換為信道角度信息的跟蹤和信道增益信息的估計。

圖1為本發(fā)明實施例提供的信道狀態(tài)信息跟蹤(以下簡稱信道跟蹤)方法的流程示意圖。如圖1所示，該方法包括以下步驟：

步驟101、根據(jù)入射信號的角度值和預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測規(guī)則，確定角度狀態(tài)預(yù)測信息；

步驟102、根據(jù)所述角度狀態(tài)預(yù)測信息，確定信道空間旋轉(zhuǎn)信息；

步驟103、根據(jù)所述信道空間旋轉(zhuǎn)信息，確定信道狀態(tài)信息。

具體地，首先，根據(jù)入射信號的角度值和預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測規(guī)則，確定角度狀態(tài)預(yù)測信息；其次，根據(jù)該角度狀態(tài)預(yù)測信息，確定信道空間旋轉(zhuǎn)信息；最后，根據(jù)所述信道空間旋轉(zhuǎn)信息，確定信道狀態(tài)信息。

用戶終端與基站之間的信號，無論是用戶終端發(fā)送信號至基站的上行信號，還是基站發(fā)送至用戶終端的下行信號，均為入射信號。入射信號的角度值是指從用戶終端發(fā)出的信號到達(dá)基站的到達(dá)角數(shù)值；或者從基站發(fā)出的信號到達(dá)用戶終端的到達(dá)角數(shù)值。

信道空間旋轉(zhuǎn)信息是用于描述信道狀態(tài)信息的物理量，將在下面的實施例中進(jìn)行詳細(xì)描述，此處不再贅述。

本發(fā)明實施例提供的信道跟蹤方法，基于s-v模型，將信道狀態(tài)信息的跟蹤轉(zhuǎn)化為信道角度信息的跟蹤和信道增益信息的估計，從而利用用戶的運動規(guī)律和非線性無跡卡爾曼濾波，提升信道角度信息跟蹤的性能，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息，方法簡單。

在上述實施例的基礎(chǔ)上，該信道跟蹤方法中的步驟101：所述根據(jù)入射信號的角度值和預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測規(guī)則，確定角度狀態(tài)預(yù)測信息，包括：

根據(jù)入射信號的角度值，確定角度狀態(tài)初始信息；

根據(jù)所述角度狀態(tài)初始信息，確定角度采樣點；

根據(jù)所述角度采樣點和所述預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測規(guī)則，確定角度狀態(tài)預(yù)測信息。

具體地，首先，根據(jù)入射信號的角度值，確定角度狀態(tài)初始信息；其次，根據(jù)該角度狀態(tài)初始信息，確定角度采樣點；之后，根據(jù)該角度采樣點和預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測規(guī)則，確定角度狀態(tài)預(yù)測信息；接下來的步驟與上述實施例相同，最終得到信道狀態(tài)信息，此處不再贅述。

角度狀態(tài)預(yù)測信息可以包括：入射信號的角速度、入射信號的角加速度以及協(xié)方差矩陣，該協(xié)方差矩陣用于描述當(dāng)前采樣時刻與前一采樣時刻的角度狀態(tài)信息之間的相關(guān)性；根據(jù)所述角度狀態(tài)初始信息，確定角度采樣點，該角度采樣點滿足：當(dāng)前采樣時刻的角度狀態(tài)信息與前一采樣時刻的角度狀態(tài)信息具有相同的統(tǒng)計特性，例如相同的協(xié)方差。

在實際應(yīng)用中，信道狀態(tài)信息的獲取是需要跟蹤多個入射信號的，多個入射信號的跟蹤過程是一致的，為了清楚地描述，本發(fā)明實施例提供的信道跟蹤方法以跟蹤其中的入射信號k作為舉例。

例如，在通信初始階段，在初始的前三個時刻，基于有限的射頻鏈路使用波束掃描的方法進(jìn)行波束訓(xùn)練，得到入射信號k直射徑上的角度值根據(jù)角度值可得無跡卡爾曼濾波的角度狀態(tài)量為：

式中：為采樣時刻m入射信號k的角度狀態(tài)量，為采樣時刻m入射信號k直射徑上的角速度，為采樣時刻m入射信號k直射徑上的角加速度；t為系統(tǒng)采樣時間，為系統(tǒng)能夠同時調(diào)度的入射信號的數(shù)量，以下稱調(diào)度信號的數(shù)量。

同時，協(xié)方差矩陣設(shè)置為：

pk(m)＝0，m＝1，2，3.

然后根據(jù)上述角度狀態(tài)初始信息：角度狀態(tài)量及協(xié)方差矩陣，確定角度采樣點；即當(dāng)m≤4時，基于無跡變換和超球體采樣規(guī)則構(gòu)造角度采樣點，使角度采樣點與前一時刻角度狀態(tài)量和協(xié)方差矩陣pm-1具有相同的統(tǒng)計特性。

對于i＝0，

對于i＝1，...，μ+1，

式中：μ為角度狀態(tài)量的個數(shù)，為超球體采樣規(guī)則系數(shù)，i表示角度采樣點數(shù)字排序，從i＝0開始排序。

根據(jù)上述角度采樣點，采用預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測規(guī)則，可得預(yù)測的角度采樣點為：

根據(jù)基于無跡卡爾曼濾波，可得預(yù)測的角度狀態(tài)量為：

其次，根據(jù)預(yù)測的角度狀態(tài)量可得預(yù)測的協(xié)方差矩陣為：

式中，wi為無跡卡爾曼濾波系數(shù)，t為預(yù)設(shè)的采樣時間，為系統(tǒng)噪聲。

在上述各實施例的基礎(chǔ)上，該信道跟蹤方法中的步驟102：根據(jù)所述角度狀態(tài)預(yù)測信息，確定信道空間旋轉(zhuǎn)信息，包括：

根據(jù)所述角度狀態(tài)預(yù)測信息，確定信道空間分布信息；

根據(jù)所述信道空間分布信息，確定所述信道空間旋轉(zhuǎn)信息。

具體地，首先，確定角度狀態(tài)預(yù)測信息；其次，根據(jù)該角度狀態(tài)信息，確定信道空間分布信息；之后，根據(jù)該信道空間分布信息，確定所述信道空間旋轉(zhuǎn)信息，從而確定信道狀態(tài)信息。

空間分布信息是用來描述通過入射信號k所獲得的信道角度信息的物理量，將在下面的實施例中進(jìn)行詳細(xì)描述，此處不再贅述。

由上述實施例可以看出，通過獲取信道空間分布信息，從而得到信道空間旋轉(zhuǎn)信息，從而用于集中信號能量，如此可降低波束訓(xùn)練開銷，提高信道跟蹤性能。

在上述實施例的基礎(chǔ)上，該信道跟蹤方法中的根據(jù)所述角度狀態(tài)預(yù)測信息，確定信道空間分布信息，包括：

根據(jù)所述角度狀態(tài)預(yù)測信息和預(yù)設(shè)的信道支撐點預(yù)測規(guī)則，確定信道預(yù)測支撐點；

根據(jù)所述信道預(yù)測支撐點，確定信道空間分布信息。

具體地，首先，確定角度狀態(tài)預(yù)測信息；其次，根據(jù)該角度狀態(tài)預(yù)測信息和預(yù)設(shè)的信道支撐點預(yù)測規(guī)則，確定信道預(yù)測支撐點；之后，根據(jù)該信道預(yù)測支撐點，確定信道空間分布信息；接下來，根據(jù)該空間分布信息，確定信道空間旋轉(zhuǎn)信息，從而確定信道狀態(tài)信息。

若已知角度狀態(tài)預(yù)測信息，利用預(yù)設(shè)的信道支撐點預(yù)測規(guī)則獲得下一時間段內(nèi)用戶的空間分布信息。假設(shè)信道是由多個支撐點構(gòu)成的，當(dāng)用戶在小區(qū)內(nèi)運動時，信道能量擴(kuò)散至相鄰的支撐點，每個用戶采用一個支撐點傳輸。事實上，基站僅通過接收數(shù)據(jù)是無法獲得角度的觀測值的，但是通過角度狀態(tài)預(yù)測信息可以得到一個預(yù)測的空間信息集合，而信道多數(shù)能量將分布在此集合中。

例如，已知角度狀態(tài)預(yù)測信息為：和基于無跡卡爾曼濾波，獲得μ+2個觀測量采樣點

對于i＝0，

對于i＝1，...，μ+1，

式中

根據(jù)觀測量采樣點根據(jù)預(yù)設(shè)的信道支撐點預(yù)測規(guī)則，可得預(yù)測的觀測量采樣點為：

觀測量采樣點代表了信道支撐點的可能出現(xiàn)位置，取其均值作為信道預(yù)測支撐點，表示為：

根據(jù)上述信道預(yù)測支撐點和預(yù)設(shè)的空間信息集合長度bmax,可得信道空間分布信息，本發(fā)明實施例中的信道空間分布信息采用一空間信息集合表示：

之后，則根據(jù)該空間信息集合，確定信道空間旋轉(zhuǎn)信息：

首先，確定為波束訓(xùn)練集合，其中sb，k為用戶終端k的空間信息集合第b個支撐點的導(dǎo)頻符號。基于所有調(diào)度的用戶終端的空間信息集合不同，即基于角分多址，支撐點訓(xùn)練可以采用相同的導(dǎo)頻符號sb，k＝s，且滿足

其次，基于上述波束訓(xùn)練集合，假設(shè)基站接收的信號為y^u(m)，并且該信號可以表示為：

式中：為用戶終端k的訓(xùn)練功率約束，w(m)為噪聲向量滿足分布y^u(m)為基站接收到的用戶終端k采樣時刻m發(fā)送的信號數(shù)據(jù)。

根據(jù)上式可知，信道跟蹤的基本原理如下：已知信號y^u(m)、噪聲及波束訓(xùn)練集合s，可以確定信道狀態(tài)信息hk(m)。

但是，基于傳統(tǒng)的波束訓(xùn)練集合s確定信道狀態(tài)信息的方法，由于一個用戶終端就需要多個(大于個)信道支撐點來傳輸數(shù)據(jù)，而信道跟蹤時，上面也提到過，需要跟蹤多個入射信號，這些入射信號均需要重復(fù)波束訓(xùn)練的過程，因此造成訓(xùn)練開銷極大。

所以，本發(fā)明則通過第一次空間旋轉(zhuǎn)，將每個用戶終端的射頻鏈路均降至個支撐點，從而降低訓(xùn)練開銷。

基于上述步驟確定的信道空間分布信息，確定第一空間旋轉(zhuǎn)參數(shù)，此時需要用到空間旋轉(zhuǎn)規(guī)則：

并確定第一空間旋轉(zhuǎn)矩陣如下：

其中：為上述實施例中根據(jù)角度采樣點確定的角度狀態(tài)量該第一空間旋轉(zhuǎn)參數(shù)分布在范圍內(nèi)；表示信道支撐點，又可稱為信道預(yù)測支撐點，如果信道預(yù)測支撐點的幅值不為零，則又稱為信道有效支撐點。

在本實施例中，空間旋轉(zhuǎn)信息用上述第一空間旋轉(zhuǎn)矩陣表示。根據(jù)該空間旋轉(zhuǎn)信息，從而確定信道狀態(tài)信息。

在上述各實施例的基礎(chǔ)上，該信道跟蹤方法中的步驟103：根據(jù)所述信道空間旋轉(zhuǎn)信息，確定信道狀態(tài)信息，包括：

根據(jù)所述信道空間旋轉(zhuǎn)信息，確定信道有效支撐點和信道增益信息；

根據(jù)所述信道有效支撐點和所述信道增益信息，確定所述信道狀態(tài)信息。

具體地，首先，確定角度狀態(tài)預(yù)測信息；其次根據(jù)該角度狀態(tài)預(yù)測信息，確定信道空間旋轉(zhuǎn)信息；根據(jù)該空間旋轉(zhuǎn)信息，確定信道有效支撐點和信道增益信息，從而得到信道狀態(tài)信息。

例如，已知空間旋轉(zhuǎn)信息，即空間旋轉(zhuǎn)矩陣為并且基站接收到的信號為y^u(m)，則可以根據(jù)下式獲得空間信息集合第j個支撐點的增益信息為：

其中：為導(dǎo)頻污染，在角分多址機(jī)制下其取值較小可以忽略。

因此，空間信息集合的增益信息為：

由于，信道多數(shù)能量分布于空間信息集合內(nèi)，因此上述空間信息集合的增益信息就等價于信道增益信息，則信道可以重建為：

可選地，為了得到更準(zhǔn)確地信道狀態(tài)信息并且降低訓(xùn)練開銷，根據(jù)重建信道z，可通過第二次空間旋轉(zhuǎn)將信道能量集中于一個幅值最大的信道有效支撐點：

式中：是第二次空間旋轉(zhuǎn)參數(shù)，分布在范圍內(nèi)，可以通過在上述分布范圍內(nèi)搜索得到。

根據(jù)該幅值最大的有效支撐點由下式獲得該支撐點的信道增益信息：

最后，根據(jù)該有效支撐點和該信道增益信息可得信道狀態(tài)信息為：

本發(fā)明實施例提供的信道跟蹤方法，利用用戶的運動規(guī)律實現(xiàn)對入射信號角度的跟蹤，基于少量導(dǎo)頻實現(xiàn)對信道的跟蹤，避免了傳統(tǒng)基于信道協(xié)方差矩陣信道估計的時間開銷和能量開銷，極大地降低了訓(xùn)練開銷。

本發(fā)明實施例中的空間旋轉(zhuǎn)是指將信道hk轉(zhuǎn)換為空間旋轉(zhuǎn)信道

式中：為空間旋轉(zhuǎn)矩陣，φk為空間旋轉(zhuǎn)參數(shù)且分布在范圍內(nèi)；u為傅里葉變換dft矩陣。

圖2為本發(fā)明實施例提供的空間旋轉(zhuǎn)示意圖。如圖2所示，一個射頻鏈路可以看作是一個信道支撐點?？臻g旋轉(zhuǎn)前，一個用戶終端需要多個支撐點進(jìn)行信號傳輸；空間旋轉(zhuǎn)后，一個用戶終端僅需要一個支撐點就足夠了，即通過空間旋轉(zhuǎn)，基站可以將待發(fā)送信號發(fā)送至用戶終端的真實角度上，使得每個用戶終端需要的射頻鏈路降至1，極大地提高了射頻鏈路的利用率。

圖3為本發(fā)明另一實施例提供的空間旋轉(zhuǎn)示意圖。如圖3所示，空間旋轉(zhuǎn)前，信道能量集中分布在大約5個信道支撐點上；空間旋轉(zhuǎn)后，信道能量的93％集中分布在一個信道有效支撐點上，即通過空間旋轉(zhuǎn)可以集中信道能量，從而得到更加準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息。

根據(jù)上述實施例可以看到，該信道跟蹤方法基于預(yù)測和跟蹤的信道角度信息進(jìn)行波束訓(xùn)練和兩次空間旋轉(zhuǎn)，獲得信道增益信息，有效降低信道狀態(tài)信息獲取的訓(xùn)練開銷。

圖4為本發(fā)明實施例提供的信道跟蹤的示意圖。如圖4所示，該圖中示意了兩個用戶終端：用戶1和用戶2；兩個用戶終端之間有角度保護(hù)間隔(guardinterval)。兩個用戶終端的信道跟蹤過程是相同的，下面以用戶1的信道跟蹤作為舉例說明。圖中所示的波束跟蹤與訓(xùn)練、信道增益計算、數(shù)據(jù)傳輸、預(yù)測及空間旋轉(zhuǎn)分別表示信道跟蹤過程中的操作步驟。

波束跟蹤與訓(xùn)練：根據(jù)入射信號的角度值，確定角度初始狀態(tài)信息；根據(jù)所述角度狀態(tài)初始信息、預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測規(guī)則，確定角度狀態(tài)預(yù)測信息；根據(jù)所述角度狀態(tài)預(yù)測信息，確定信道空間分布信息，即圖中所示和

信道增益計算：根據(jù)信道空間分布信息，利用波束訓(xùn)練和空間旋轉(zhuǎn)獲得信道增益信息。

數(shù)據(jù)傳輸：獲得完整的信道信息后，利用角度域混合預(yù)編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

在上述各實施例的基礎(chǔ)上，該信道跟蹤方法中的預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測規(guī)則為：

ψk(m)＝φψk(m-1)+ωk(m)，

其中，ψk(m)、ψk(m-1)表示入射信號k在當(dāng)前采樣時刻m及其前一采樣時刻m-1的角度狀態(tài)量，ωk(m)為當(dāng)前采樣時刻m伴隨入射信號k的系統(tǒng)噪聲，其中t為預(yù)設(shè)的采樣時間。

在上述各實施例的基礎(chǔ)上，該信道跟蹤方法中的所述預(yù)設(shè)的信道支撐點預(yù)測規(guī)則包括：

信道支撐點第一預(yù)測規(guī)則

及信道支撐點第二預(yù)測規(guī)則：

其中，表示信道預(yù)測支撐點，φk(m)為空間旋轉(zhuǎn)參數(shù)，為當(dāng)前采樣時刻m入射信號k直射徑上的角度值，uk(m)為當(dāng)前采樣時刻m伴隨入射信號k的量測噪聲，λ為波長，n為天線數(shù)，d為天線陣元間距。

圖5為本發(fā)明實施例提供的信道角度跟蹤的示意圖。如圖5所示，橫軸為時間塊索引，縱軸為角度誤差。圖中分別示出了線性運動和非線性運動下不同空間信息集合長度下的角度信息的準(zhǔn)確率的變化趨勢?？梢钥闯?，在空間信息集合長度相同的情況下，無論是線性運動還是非線性運動，角度誤差均較??；并且隨著空間信息集合長度的增加，角度誤差越來越小。

圖6為本發(fā)明實施例提供的信道跟蹤均方誤差的趨勢圖。如圖6所示，橫軸為信噪比，縱軸為信道平均誤差。圖中示出了不同空間信息集合長度下的信道平均誤差的變化趨勢?？梢钥闯?，在信噪比相同的情況下，空間信息集合長度越大，信道平均誤差越小，即獲取的信道狀態(tài)信息則越準(zhǔn)確。

圖7為本發(fā)明實施例提供的混合預(yù)編碼方法的流程示意圖。如圖7所示，該混合預(yù)編碼方法包括以下步驟：

步驟701、根據(jù)信道狀態(tài)信息，確定模擬預(yù)編碼參數(shù)和數(shù)字預(yù)編碼參數(shù)；所述信道狀態(tài)信息為根據(jù)入射信號的角度值和預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測規(guī)則確定的信息；

步驟702、根據(jù)所述模擬預(yù)編碼參數(shù)和所述數(shù)字預(yù)編碼參數(shù)，對調(diào)度信號集合中的多個調(diào)度信號進(jìn)行混合預(yù)編碼。

具體地，首先，基于信道狀態(tài)信息，確定模擬預(yù)編碼參數(shù)和數(shù)字預(yù)編碼參數(shù)；該信道狀態(tài)信息為根據(jù)入射信號的角度值和預(yù)設(shè)的角度狀態(tài)預(yù)測規(guī)則確定的信息，即基于上述信道跟蹤方法確定的信道狀態(tài)信息。之后，基于上述兩種預(yù)編碼參數(shù)，對調(diào)度信號集合中的多個調(diào)度信號進(jìn)行混合預(yù)編碼。

基于該信道跟蹤方法獲得信道狀態(tài)信息，進(jìn)行混合預(yù)編碼，與傳統(tǒng)的預(yù)編碼方法相比，由于簡化了每個調(diào)度信號的信道矩陣，從而降低了預(yù)編碼的復(fù)雜度；并且通過集中信號能量，降低了能量泄露，提高了系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的性能。

在上述實施例的基礎(chǔ)上，該預(yù)編碼方法中的所述調(diào)度信號集合根據(jù)下式確定：

其中，表示入射信號，θm和θl分別表示入射徑m和l上的入射信號的角度值，ω表示預(yù)設(shè)的角度保護(hù)間隔。

具體地，每個調(diào)度信號對應(yīng)一個唯一的角度值；不同的調(diào)度信號之間具有一個角度保護(hù)間隔，用來防止信號間的干擾。

在上述實施例的基礎(chǔ)上，該混合預(yù)編碼方法中的模擬預(yù)編碼根據(jù)下式確定：

其中：u為傅里葉變換矩陣，為空間旋轉(zhuǎn)矩陣；為調(diào)度信號的數(shù)量，及為信道狀態(tài)信息，λ為波長，n為天線數(shù)，d為天線陣元間距。

具體地，基于信道狀態(tài)信息設(shè)計模擬預(yù)編碼參數(shù)和數(shù)字預(yù)編碼參數(shù)。根據(jù)角分多址機(jī)制，模擬預(yù)編碼參數(shù)設(shè)置為：

在實際應(yīng)用中，模擬預(yù)編碼矩陣的每一列代表每一個用戶終端入射信號的角度方向矢量，可以由個移相器實現(xiàn)。

根據(jù)角分多址機(jī)制，利用數(shù)字預(yù)編碼參數(shù)消除用戶間干擾，數(shù)字預(yù)編碼參數(shù)設(shè)置為：

式中：用以滿足功率限制，為角度域等效信道。

基于上述模擬預(yù)編碼參數(shù)和模擬預(yù)編碼參數(shù)，將調(diào)度信號進(jìn)行混合預(yù)編碼，從而將調(diào)度信號傳輸至用戶終端的真實角度方向上。因此，用戶終端的接收信號可以表示為：

式中：為根據(jù)上述信道跟蹤方法獲取的信道狀態(tài)信息，s是個用戶的維信號向量，即調(diào)度信號，滿足是加性白噪聲向量。

系統(tǒng)和速率根據(jù)下式確定：

其中，sinrk表示調(diào)度信號的信干噪比，為通信網(wǎng)絡(luò)中所有入射信號的總能量，表示入射信號，為調(diào)度信號的數(shù)量。

具體地，通過統(tǒng)計通信網(wǎng)絡(luò)中所有入射信號，可以獲取入射信號的總能量p；基于角分多址，基站能夠同時調(diào)度的入射信號是有限的，即表示調(diào)度信號的數(shù)量。

基于上述模擬預(yù)編碼和數(shù)字預(yù)編碼，系統(tǒng)的信干噪比的表達(dá)式為：

式中：pi為數(shù)字預(yù)編碼矩陣p的第i列，γk為信噪比。

圖8為本發(fā)明實施例提供的系統(tǒng)和速率的示意圖。如圖8所示，橫軸為信噪比，縱軸為系統(tǒng)和速率。圖中分別示出了三種信道預(yù)編碼方法下的系統(tǒng)和速率的變化趨勢。由圖8可知，本發(fā)明的混合預(yù)編碼方法具有良好的能量效率，系統(tǒng)的和速率遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的基于波束選擇的混合預(yù)編碼方法，并且基本接近全數(shù)字預(yù)編碼方法。

由上述實施例可以看到，基站通過空間旋轉(zhuǎn)將信號傳輸至用戶終端的真實角度上，降低了信號傳輸所需的射頻鏈路數(shù)目，從而降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的硬件成本，同時避免了信道能量泄露對系統(tǒng)性能的影響；另外，利用角分多址和角度域傳輸信號提高了系統(tǒng)的能量效率和頻譜效率。

圖9為本發(fā)明實施例提供的單小區(qū)毫米波大規(guī)模mimo系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。為了與傳統(tǒng)mimo系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)分，用“基站”表示本發(fā)明實施例提供的大規(guī)模mimo系統(tǒng)。

如圖9所示，基站配置了大規(guī)模等距線陣(uniformlineararray；ula)，天線陣元數(shù)量為n，小區(qū)內(nèi)隨機(jī)均勻地分布著k個單天線用戶終端，該基站的射頻鏈路(radiofrequencychains；rfchains)模塊由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(digital-analogconverter；dac)、混頻器(mixer)及濾波器(filter)組成，射頻鏈路數(shù)目為nrf，且nrf＜＜n；射頻鏈路的前端為數(shù)字預(yù)編碼模塊，s(1)至s(k)表示入射信號；射頻鏈路的后端為模擬預(yù)編碼模塊。

需要說明的是，本發(fā)明實施例提供的mimo系統(tǒng)是用來實現(xiàn)上述信道跟蹤和混合預(yù)編碼方法的，具體功能可參考上述方法實施例，此處不再贅述。

最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。