最大化子陣列增益的多用戶大規(guī)模MIMO混合預(yù)編碼*

張 雷，高俊楓，向 博

(成都大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，成都610106)

0 引 言

大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)是第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)及未來移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，它通過在基站配置數(shù)十至數(shù)百個(gè)天線，并結(jié)合發(fā)射預(yù)編碼和接收合并處理，能極大提升系統(tǒng)頻譜效率和功率效率[1-3]。在下行傳輸中，大規(guī)模MIMO理論上需采用全數(shù)字預(yù)編碼以獲取最優(yōu)性能。然而，基帶的數(shù)字化處理要求天線陣列每個(gè)陣元具有獨(dú)立的射頻鏈路。相較于傳統(tǒng)MIMO，大規(guī)模MIMO陣元數(shù)量巨大，導(dǎo)致復(fù)雜度、成本和功耗急劇上升，從而制約了其實(shí)際應(yīng)用。由此，學(xué)術(shù)界提出了射頻鏈路數(shù)遠(yuǎn)小于基站天線數(shù)的“基帶低維數(shù)字預(yù)編碼+射頻高維模擬預(yù)編碼”的模數(shù)混合預(yù)編碼方案[4]。

模擬預(yù)編碼通常用移相器實(shí)現(xiàn)，而早期大部分混合預(yù)編碼針對全連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4-6]，即每個(gè)射頻鏈路通過移相器與所有天線相連，所需移相器數(shù)等于天線數(shù)與射頻鏈路數(shù)之積，成本和功耗仍然較高。因此，又提出了基于部分連接結(jié)構(gòu)的模數(shù)混合預(yù)編碼[7-10]，即射頻鏈路僅與互不交疊的天線子陣列相連，故所需移相器總數(shù)等于天線數(shù)。其中，文獻(xiàn)[7]和[8]分別研究了單用戶混合預(yù)編碼中單載波情形的串行干擾消除預(yù)編碼算法和多載波情形的并行預(yù)編碼處理框架，文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了注水結(jié)合迭代算法的單用戶最佳混合預(yù)編碼器，文獻(xiàn)[10]則提出了同時(shí)適用于單用戶全連接和部分連接結(jié)構(gòu)的通用混合預(yù)編碼算法。上述研究表明，部分連接結(jié)構(gòu)能獲得比全連接結(jié)構(gòu)更好的成本、復(fù)雜度和性能折中。然而，它們也存在兩點(diǎn)不足：一是都針對單用戶系統(tǒng)研究，所用奇異值分解等方法難以推廣至多用戶情形，不能實(shí)現(xiàn)多用戶復(fù)用增益；二是多采用迭代或搜索類等高復(fù)雜度算法，難以用于實(shí)際系統(tǒng)。針對采用部分連接結(jié)構(gòu)的多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，文獻(xiàn)[11-12]提出了“基于空口信道相位信息的塊對角模擬預(yù)編碼+基于等效信道矩陣的迫零數(shù)字預(yù)編碼”的混合預(yù)編碼方法，能獲得簡單閉合解和較好性能；文獻(xiàn)[13]也將其中的模擬預(yù)編碼方法用于單用戶混合預(yù)編碼設(shè)計(jì)。但是，這種模擬預(yù)編碼方法固化了用戶和天線子陣列之間的匹配關(guān)系，其性能還有較大提升空間。

本文針對文獻(xiàn)[11-12]的不足，面向部分連接結(jié)構(gòu)的多用戶大規(guī)模MIMO混合預(yù)編碼系統(tǒng)，提出一種新的低復(fù)雜度高性能模擬預(yù)編碼方法。利用不同天線子陣列到不同用戶的信道增益存在差異這一特點(diǎn)，基于最大化用戶子陣列增益原則將用戶和子陣列匹配，再提取每個(gè)用戶對應(yīng)子陣列的空口信道相位信息生成該用戶的模擬預(yù)編碼向量。由此構(gòu)建的模擬預(yù)編碼矩陣具有比文獻(xiàn)[11-13]中塊對角模擬預(yù)編碼矩陣更通用的塊稀疏結(jié)構(gòu)，且每個(gè)用戶能獲得更大子陣列增益，并進(jìn)而提升總體預(yù)編碼增益。仿真表明，基于所提匹配準(zhǔn)則的混合預(yù)編碼相較于基于傳統(tǒng)固定匹配的混合預(yù)編碼能獲得更高的系統(tǒng)和頻譜效率。

1 系統(tǒng)模型

圖1 部分連接結(jié)構(gòu)的大規(guī)模MIMO模數(shù)混合預(yù)編碼系統(tǒng)模型

考慮窄帶平坦衰落信道。所有用戶的接收信號(hào)用向量表示為

r=HFRFFBBs+n。

(1)

(2)

(3)

2 最大化子陣列增益的的多用戶混合預(yù)編碼

2.1 總體思路

設(shè)基站能通過上下行鏈路互易性或用戶端反饋獲得下行信道矩陣H。考慮到多用戶的分布式接收特點(diǎn)，為得到混合預(yù)編碼矩陣的簡單閉合解，本文仍采用與文獻(xiàn)[11-12]類似的“基于空口信道相位信息的模擬預(yù)編碼+基于等效信道矩陣的迫零數(shù)字預(yù)編碼”基本框架。因迫零數(shù)字預(yù)編碼技術(shù)較為成熟且得到廣泛應(yīng)用[5-6]，且已有研究表明模擬預(yù)編碼獲得較大子陣列增益可改善混合預(yù)編碼的和頻譜效率性能[12]，故本文主要優(yōu)化模擬預(yù)編碼。從子陣列模擬預(yù)編碼向量設(shè)計(jì)入手，分析發(fā)現(xiàn)不同子陣列到不同用戶的子陣列增益存在差異，遂提出能最大化用戶子陣列增益的用戶和子陣列匹配準(zhǔn)則，從而最終提升系統(tǒng)的和頻譜效率。

2.2 子陣列的模擬預(yù)編碼向量

用移相器實(shí)現(xiàn)模擬預(yù)編碼時(shí)，通過提取H的共軛轉(zhuǎn)置的相位信息實(shí)施相位控制，由此可獲得類似傳統(tǒng)等增益發(fā)送的子陣列增益[11-13]。部分連接結(jié)構(gòu)中整體的模擬預(yù)編碼矩陣由每個(gè)子陣列對應(yīng)的模擬預(yù)編碼向量組成，由此，將H按天線維度劃分為NRF個(gè)子矩陣，即

(4)

(5)

式中：hn,km(k=1,2,…,K；m=1,2,…,M)表示基站第(n-1)M+m個(gè)天線到第k個(gè)用戶的信道系數(shù)，|hn,km|和φn,km分別表示hn,km的幅度和相位。

(6)

由此，可認(rèn)為通過該準(zhǔn)則在用戶k和子陣列n之間建立了一個(gè)匹配關(guān)系。

2.3 用戶和子陣列的傳統(tǒng)匹配準(zhǔn)則

在文獻(xiàn)[11-12]的方案中，子陣列n和用戶k之間的匹配關(guān)系是固定的：子陣列1、K+1、2K+1…和用戶1匹配，子陣列2、K+2、2K+2…和用戶2匹配，…，子陣列K、2K、3K…和用戶K匹配。由此，fn可表示為(上標(biāo)“C”表示傳統(tǒng)匹配準(zhǔn)則)

(7)

對應(yīng)的模擬預(yù)編碼矩陣具有如下塊對角結(jié)構(gòu):

(8)

2.4 最大化用戶子陣列增益匹配準(zhǔn)則

在信道向量hn,k和模擬預(yù)編碼向量fn共同作用下，用戶k可獲得子陣列增益ηk(n)為

(9)

注意到當(dāng)M和k確定時(shí)，不同n值對應(yīng)的|hn,km|值不同，因此ηk(n)是關(guān)于n的函數(shù)。因此，本文提出兩種新的匹配準(zhǔn)則，以最大化用戶k的子陣列增益ηk(n)。

匹配準(zhǔn)則1：用戶順序固定時(shí)最大化子陣列增益

設(shè)用戶序號(hào)集合為U={1,2,…,K}，子陣列序號(hào)集合為A={1,2,…,NRF}，具體如下。

第1輪匹配。首先，對用戶1，根據(jù)式(9)計(jì)算其對應(yīng)的所有子陣列增益{η1(n)|n∈A}，再從中選擇使η1(n)具有最大值的子陣列n1∈A匹配給用戶1。其次，對用戶2，計(jì)算其對應(yīng)除子陣列n1以外的其余所有子陣列增益{η2(n)|n∈A{n1}}，再從中選擇使η2(n)具有最大值的子陣列n2∈A匹配給用戶2……以此類推，直至為用戶K匹配了子陣列nK。

第2輪匹配。若K

設(shè)用戶序號(hào)集合為U={1,2,…,K}，子陣列序號(hào)集合為A={1,2,…,NRF}

第1輪匹配。首先，對所有用戶，根據(jù)式(9)計(jì)算其對應(yīng)的所有子陣列增益{ηk(n)|k∈U,n∈A}，再從中選擇具有最大值的ηk(n)，將其對應(yīng)的用戶序號(hào)和子陣列序號(hào)分別記為k1∈U和n1∈A，即給用戶k1匹配了子陣列n1。其次，對除用戶k1之外的其余所有用戶，從除子陣列n1以外的其余所有子陣列增益{ηk(n)|k∈U{k1},n∈A{n1}}中選擇具有最大值的ηk(n)，將其對應(yīng)的用戶序號(hào)和子陣列序號(hào)分別記為k2∈U{k1}和n2∈A{n1}，即給用戶k2匹配了子陣列n2……以此類推，直至為最后一個(gè)用戶kK匹配了子陣列nK。

第2輪匹配。若K

匹配準(zhǔn)則1和2的基本思想都是對每一用戶在可選子陣列中選擇使該用戶獲得最大子陣列增益的子陣列與之匹配，區(qū)別在于匹配準(zhǔn)則1僅對用戶按默認(rèn)順序來匹配最優(yōu)子陣列，而匹配準(zhǔn)則2則從全局優(yōu)化角度還對用戶排序。所提兩種匹配準(zhǔn)則生成的模擬預(yù)編碼矩陣不再滿足式(8)的塊對角結(jié)構(gòu)，而具有如下更一般的塊稀疏結(jié)構(gòu)(上標(biāo)“N”表示新匹配準(zhǔn)則)：

(10)

圖1中的用戶和子陣列匹配器根據(jù)所提匹配準(zhǔn)則1或2實(shí)施用戶和子陣列的匹配。該匹配器的輸出結(jié)果決定了用戶k和對應(yīng)子陣列的值(k,nk)，通過(k,nk)值查找到子矩陣Hnk的第k個(gè)行向量，該行向量所含各信道系數(shù)的相位即決定了式(6)中fn各元素的相位值，即移相器對相應(yīng)天線的具體移相值。由此，用戶k可獲得對應(yīng)的最大子陣列增益ηk(nk)。

2.5 數(shù)字預(yù)編碼矩陣求解

與文獻(xiàn)[11-12]類似，根據(jù)FRF在基帶可得等效信道矩陣G=HFRF，對G求偽逆得

W=GH(GGH)-1。

(11)

以W各列向量的Frobenius范數(shù)為對角元構(gòu)造對角矩陣Λ，則數(shù)字預(yù)編碼矩陣可通過FBB=WΛ-1計(jì)算，此歸一化處理保證了FBB各列的Frobenius范數(shù)都為1。由此，有

在已有實(shí)踐管理與學(xué)術(shù)研究基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為，水生態(tài)文明建設(shè)是以水生態(tài)系統(tǒng)為對象，通過工程性措施與非工程性措施建設(shè)，使其滿足人類社會(huì)發(fā)展需求，并最終形成一種可自我更替、完善的良性演化過程。

(12)

即滿足總發(fā)射功率約束對預(yù)編碼矩陣的范數(shù)要求。

3 計(jì)算復(fù)雜度分析

本節(jié)分析比較文獻(xiàn)[11-12]中傳統(tǒng)匹配準(zhǔn)則和本文所提兩種匹配準(zhǔn)則的計(jì)算復(fù)雜度。傳統(tǒng)匹配準(zhǔn)則的混合預(yù)編碼總的計(jì)算復(fù)雜度為O(MKNRF+K2NRF)次復(fù)數(shù)乘法[12]。與傳統(tǒng)匹配準(zhǔn)則相比，所提兩種匹配準(zhǔn)則引入了用戶和子陣列匹配處理，該處理需要根據(jù)式(9)計(jì)算ηk(n)并在一組ηk(n)中查找最大值，經(jīng)分析知匹配準(zhǔn)則1和2中該處理的計(jì)算復(fù)雜度分別為O(MK(NRF-K/2))和O(MKNRF+K2NRF)次復(fù)數(shù)加法。考慮到實(shí)際不同軟硬件約束條件，單次復(fù)數(shù)乘法的計(jì)算復(fù)雜度約為單次復(fù)數(shù)加法的10～100倍。因此，匹配準(zhǔn)則2相較于傳統(tǒng)匹配準(zhǔn)則增加的計(jì)算復(fù)雜度約為1%～10%，而匹配準(zhǔn)則1的計(jì)算復(fù)雜度略低于匹配準(zhǔn)則2。

4 仿真分析

對不同參數(shù)下基于所提兩種匹配準(zhǔn)則和文獻(xiàn)[11-12]傳統(tǒng)匹配準(zhǔn)則的部分連接結(jié)構(gòu)多用戶大規(guī)模MIMO混合預(yù)編碼性能進(jìn)行仿真評估，所有用戶均為單天線接收。同時(shí)，考慮到難以獲得此情形的最優(yōu)混合預(yù)編碼方案[5,7]，將相同參數(shù)條件下的K個(gè)單天線用戶替換為具有K個(gè)接收天線的虛擬單用戶，該虛擬單用戶系統(tǒng)采用基于奇異值分解的數(shù)字預(yù)編碼和集中式接收的性能可作為對應(yīng)多用戶系統(tǒng)的理論上限[5,13]。假設(shè)基站能獲取準(zhǔn)確信道矩陣H。

4.1 獨(dú)立同分布Rayleigh衰落信道條件下的和頻譜效率性能

圖2給出了用戶數(shù)K=16時(shí)三種匹配準(zhǔn)則與上限的和頻譜效率R與信噪比P/σ2之間的關(guān)系，可以看出，在所示信噪比區(qū)域，所提匹配準(zhǔn)則1和2分別比傳統(tǒng)匹配準(zhǔn)則的和頻譜效率提升了25%～85%和35%～100%，提升幅度隨信噪比減小而增大；在中高信噪比區(qū)域，所提兩種準(zhǔn)則相較理論上限僅有3～3.5 dB差距。

圖2 Rayleigh衰落信道下和頻譜效率R與信噪比P/σ2的關(guān)系(NTX=256，NRF=K=16)

圖3比較了信噪比P/σ2為0 dB和10 dB時(shí)三種匹配準(zhǔn)則的和頻譜效率R與接入用戶數(shù)K之間的關(guān)系，可以看出，信噪比固定時(shí)，和頻譜效率都呈現(xiàn)出隨用戶數(shù)增加而先升至一定峰值再降低的特點(diǎn)；信噪比越低，和頻譜效率峰值對應(yīng)的最佳用戶數(shù)越小，當(dāng)P/σ2=0 dB時(shí)，所提匹配準(zhǔn)則1、2和傳統(tǒng)匹配準(zhǔn)則的峰值對應(yīng)的最佳用戶數(shù)分別為8、8和7，前兩者和頻譜效率峰值分別比后者提升了約12%和17%。當(dāng)P/σ2=10 dB時(shí)，三種匹配準(zhǔn)則峰值對應(yīng)的最佳用戶數(shù)均為11，且前兩者和頻譜效率峰值分別比后者提升了約10%和15%。

(a)P/σ2=0 dB

(b)P/σ2=10 dB圖3 Rayleigh衰落信道下和頻譜效率R與用戶數(shù)K的關(guān)系(NTX=256，NRF=16)

4.2 Saleh-Valenzuela信道條件下的和頻譜效率性能

(13)

圖4給出了用戶數(shù)K=16時(shí)三種匹配準(zhǔn)則與上限的和頻譜效率R與信噪比P/σ2之間的關(guān)系，從中可以看出，在所示信噪比區(qū)域，所提匹配準(zhǔn)則1和2分別比傳統(tǒng)匹配準(zhǔn)則的和頻譜效率提升了20%～75%和25%～85%，提升幅度仍隨信噪比減小而增大；所提兩種準(zhǔn)則相較理論上限僅有2.5～3 dB差距。

圖4 S-V信道下和頻譜效率R與信噪比P/σ2的關(guān)系(NTX=256，NRF=K=16 )

圖5比較了信噪比P/σ2為0 dB和10 dB時(shí)三種匹配準(zhǔn)則的和頻譜效率R與用戶數(shù)K之間的關(guān)系，其中和頻譜效率隨用戶數(shù)增加呈現(xiàn)的變化規(guī)律與圖3類似。當(dāng)P/σ2=0 dB時(shí)，所提匹配準(zhǔn)則1、2和傳統(tǒng)匹配準(zhǔn)則的和頻譜效率峰值對應(yīng)的最佳用戶數(shù)分別為8、9和7，前兩者的峰值分別比后者提升了約15%和18%。當(dāng)P/σ2=10 dB時(shí)，所提匹配準(zhǔn)則1、2和傳統(tǒng)匹配準(zhǔn)則的和頻譜效率峰值對應(yīng)的最佳用戶數(shù)分別為12、12和11，且前兩者和頻譜效率峰值分別比后者提升了約13%和16%。

(a)P/σ2=0 dB

(b)P/σ2=10 dB圖5 S-V信道下和頻譜效率R與用戶數(shù)K的關(guān)系(NTX=256，NRF=16)

4.3 不同相位量化精度對和頻譜效率的影響

圖6 Rayleigh衰落信道下量化信道相位對和頻譜效率R的影響(NTX=256，NRF=K=16)

從以上三組仿真可以看出，對Rayleigh衰落和S-V兩種典型信道場景，在給定基站天線數(shù)和射頻鏈路數(shù)條件下，無論固定接入用戶數(shù)改變信噪比，還是固定信噪比改變接入用戶數(shù)，本文所提兩種匹配準(zhǔn)則較傳統(tǒng)匹配準(zhǔn)則對系統(tǒng)和頻譜效率均有顯著改善，而與理論上限差距較小，且有限位的B比特移相器對所提準(zhǔn)則的性能影響較小。

5 結(jié)束語

本文針對部分連接結(jié)構(gòu)的多用戶大規(guī)模MIMO混合預(yù)編碼系統(tǒng)，提出了基于最大化用戶子陣列增益匹配準(zhǔn)則的模擬預(yù)編碼方法，通過提取每個(gè)用戶對應(yīng)子陣列的信道相位信息生成該用戶的模擬預(yù)編碼向量并進(jìn)而構(gòu)造整體的模擬預(yù)編碼矩陣。復(fù)雜度分析和典型場景下仿真表明，相較于傳統(tǒng)基于固定匹配準(zhǔn)則的混合預(yù)編碼，基于所提匹配準(zhǔn)則的混合預(yù)編碼在幾乎不增加計(jì)算復(fù)雜度的前提下能顯著提升系統(tǒng)的和頻譜效率，提升幅度隨信噪比減小而增大，且對有限精度的相位量化較為魯棒。考慮到5G和未來無線通信的綠色節(jié)能需求，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的平均發(fā)射功率通常較小，因此，所提方案在實(shí)際應(yīng)用時(shí)將更加凸顯優(yōu)勢。