CN106506051A - 基于可重构天线的混合预编码的方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种用于MIMO***的基于可重构天线的混合预编码的方法与设备。具体地，基于用户的信道状态信息确定MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图；根据信道状态信息与辐射方向图，分别计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵；根据数字预编码矩阵对基站端的待发射数据进行数字预编码处理，以获得经数字预编码处理后的待发射数据；根据模拟预编码矩阵，对经数字预编码处理后的待发射数据进行模拟预编码处理。其中，与现有技术相比，本发明将RA应用于混合预编码，相对于现有混合预编码方案，实现了更好的性能，而不增加硬件成本和复杂性，且在混合预编码的性能和复杂性之间能够提供良好平衡。

Description

基于可重构天线的混合预编码的方法与设备

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种用于MIMO***的基于可重构天线的混合预编码的技术。

背景技术

大规模MIMO(多输入多输出，Multiple-Input Multiple-Output)因其具有能成倍提高无线***的频谱和功率效率的显著能力，而引起广泛关注。理论上，使用全数字预编码，大规模MIMO的优势可被最大化。然而，全数字预编码需要用于每一天线单元的专用RF(射频，Radio Frequency)链路，而导致成本增加、硬件复杂化，以及功率消耗提高。从实现角度，更期待一种需要数量少得多的RF链路，但仍能够保持大部分全数字预编码增益的预编码技术。

混合模拟/数字预编码通过将部分空间信号处理从基带移到射频前端来降低RF链路数量。已证明尽管复用增益受RF链路数量限制，但通过适当处理，混合预编码仍能够实现全分集与阵列增益。通过使用模拟相移网络来实现模拟预编码。混合预编码的性能严重依赖相移网络的结构。图1和图2示出了两种典型的混合预编码结构(图1与图2中的S表示经基带处理后的数据流的数量)，其中，图1中的相移网络为复杂相移网络，图2中的相移网络为简单相移网络。对于复杂相移网络，混合预编码能够实现接近全数字预编码的性能。然而，在此情形下，相移网络的实现带来新的挑战。另一方面，简单的相移网络虽然易于实现，但是结果性能不大具有吸引力。

可重构天线因其能够根据需求调整自身的电学参数(如辐射方向图、工作频率、极化方向等)的能力，近来受到广泛关注。使用传统天线技术，需要一个天线阵列来调整辐射方向图(radiation pattern)。通过适当改变映射至不同天线的信号的相位和幅度，能够将辐射方向图调整为指向特定方向。使用可重构天线(RA，reconfigurableantenna)，通过调整每一天线单元的电学参数，能够调整其辐射方向图，这能够大幅度降低无线***的复杂性和成本，因为可使用单一天线单元来实现天线阵列的类似效果。对于多个RA单元，即RA阵列，不同单元可具有相同或不同的辐射方向图。现有技术如申请号为201410427818.1的中国专利申请^[1]提出了一种小小区(small cell)中的基于RA的波束成形技术，包括天线结构、用户位置估计，以及波束转换机制，相似的结果也在文献^[1]Mobile relay station with radiationpattern reconfigurable antenna(IEEE VTC spring,2014,第1-5页)中有公开。中国专利申请和文献^[1]中提出的RA技术能够根据用户实时位置调整每一天线单元的辐射方向图，如图3示出使用中国专利申请^[1]和文献^[1]公开的RA技术可得到的一些简单辐射方向图，其结构简单且成本低，便于在实时***中实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于MIMO***的基于可重构天线的混合预编码的方法与设备。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于MIMO***的基于可重构天线的混合预编码的方法，其中，所述MIMO***中的天线为可重构天线，其中，该方法包括以下步骤：

a基于用户的信道状态信息确定所述MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图；

b根据所述信道状态信息与所述辐射方向图，分别计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵；

c根据所述数字预编码矩阵对所述基站端的待发射数据进行数字预编码处理，以获得经数字预编码处理后的所述待发射数据；

d根据所述模拟预编码矩阵，对经数字预编码处理后的所述待发射数据进行模拟预编码处理。

根据本发明的另一方面，还提供了一种用于MIMO***的基于可重构天线的混合预编码的设备，其中，所述MIMO***中的天线为可重构天线，其中，该设备包括：

辐射方向图确定装置，用于基于用户的信道状态信息确定所述MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图；

矩阵计算装置，用于根据所述信道状态信息与所述辐射方向图，分别计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵；

数字预编码处理装置，用于根据所述数字预编码矩阵对所述基站端的待发射数据进行数字预编码处理，以获得经数字预编码处理后的所述待发射数据；

模拟预编码处理装置，用于根据所述模拟预编码矩阵，对经数字预编码处理后的所述待发射数据进行模拟预编码处理。

与现有技术相比，本发明将RA应用于混合预编码，利用RA特性克服因相移网络强加的限制所带来的混合预编码的性能损失，相对于现有混合预编码方案，实现了更好的性能，而不增加硬件成本和复杂性，且在混合预编码的性能和复杂性之间能够提供良好平衡。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出现有技术中一种相移网络为复杂相移网络的混合预编码结构示意图；

图2示出现有技术中一种相移网络为简单相移网络的混合预编码结构示意图；

图3示出使用中国专利申请^[1]和文献^[1]公开的RA技术可得到的辐射方向图；

图4示出根据本发明一个方面的一种用于MIMO***的基于可重构天线的混合预编码的设备示意图；

图5示出本发明一个实施例的混合预编码结构示意图；

图6示出本发明的混合预编码(采用可重构天线)与现有技术中采用传统天线的混合预编码之间的性能结果比较示意图；

图7示出根据本发明另一个方面的一种用于MIMO***的基于可重构天线的混合预编码的方法流程图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

图4示出根据本发明一个方面的一种用于MIMO***的基于可重构天线的混合预编码的设备1，其中，所述MIMO***中的天线为可重构天线，其中，设备1包括辐射方向图确定装置11、矩阵计算装置12、数字预编码处理装置13和模拟预编码处理装置14。具体地，辐射方向图确定装置11基于用户的信道状态信息确定所述MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图；矩阵计算装置12根据所述信道状态信息与所述辐射方向图，分别计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵；数字预编码处理装置13根据所述数字预编码矩阵对所述基站端的待发射数据进行数字预编码处理，以获得经数字预编码处理后的所述待发射数据；模拟预编码处理装置14根据所述模拟预编码矩阵，对经数字预编码处理后的所述待发射数据进行模拟预编码处理。

在此，设备1是指能够将RA技术应用于现有混合预编码方案中的设备。在此，设备1包括一种能够按照事先设定或存储的指令，自动进行数值计算和信息处理的电子设备，其硬件包括但不限于微处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(FPGA)、数字处理器(DSP)、嵌入式设备等。

具体地，辐射方向图确定装置11基于用户的信道状态信息确定所述MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图，如将MIMO***的有效信道的平均容量取得最大值时的辐射方向图作为所述辐射方向图。在此，所述有效信道是指经过模拟预编码后的信道。

在此，以图2所示混合预编码结构为例，示出本发明如何基于用户的信道状态信息确定MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图。

考虑采用正交频分复用(OFDM)的、具有N_FFT个子载波的大规模MIMO***的下行链路(DL)，假设采用时分双工模式(TDD)，因此，基站能够从上行链路探测信号获得用户的信道状态信息(CSI)，假设该MIMO***中基站配置N个可重构天线、S个RF链路，其中，S<N，K个单天线用户同时使用混合多用户预编码在相同时频资源上被服务，其中，K≤S。在该预编码结构下，MIMO处理被分为模拟预编码和数字预编码，如下所示：

W_w＝CB_w (1)

其中，W_w＝CB_w表示在第w个子载波上的N×K维预编码矩阵，C为N×S维宽带模拟预编码矩阵，B_w为在第w个子载波上的S×K维窄带预编码矩阵。由于在反数字傅里叶变换(IDFT)之后，模拟预编码被执行，相同的模拟预编码矩阵C被所有子载波共享。基于图2所示的预编码结构，模拟预编码矩阵符合以下结构：

其中，c_s(s＝1～S)为N/S×1矢量(注意，在图1所示的相移网络结构中，不存在对C的结构的限制，因此，图1所示的结构的性能总是优于图2所示的结构，其代价是更复杂的相移网络)。

信道模型

首先，引入表示天线辐射方向图与信道响应之间关系的信道模型，假设p_n(θ)表示第n个RA单元对应方向角θ的天线增益，则基站和用户k之间在第w个子载波上的信道响应矢量可表示为：

其中，τ_k,l,θ_k,l和β_k,l分别标记用户k的第l个传播路径的延时、方向角和(复)幅度，P(θ)表示以p_n(θ)为第n个对角项的对角矩阵，f(w,τ)＝exp(-ι2π(w-1)Wτ/N_FFT)，W为***带宽，a(θ)为对应方向角θ的天线阵列响应矢量，假设天线阵列是均匀线性阵列，有a(θ)＝[1exp(-ι2πθ)…exp(-ι(N-1)2πθ)]^T。在公式(3)中， 表示用户k的第l个路径的物理到达角，α＝d/λ，λ为传播波长。通过在固定均匀间隔虚拟角上基于虚拟路径描述信道，则有

并标记公式(3)可被写为

其中，S_k(q)为传播路径集，被定义为：

x_k,l＝A^Ha(θ_k,l) (7)

在公式(5)中，(a)基于x_k,l仅具有一个主要元素，并且该主要元素的位置q满足l∈S_k(q)的事实而导出；利用以下近似，(b)被导出：

若

根据公式(5)，可得到：

其中，

辐射方向图确定

本发明中辐射方向图{p_n(θ),n＝1～N}被设计以使得模拟预编码后的有效信道的平均容量取得最大值。利用克罗内克(Kronecker)模型，信道矩阵可表示为：

其中，

且

为发射端和接收端的相关矩阵，的元素为具有单位方差的独立同分布(i.i.d.)复高斯变量。对R^(t)执行奇异值分解(SVD)，则有：

R^(t)＝UΛU^H (16)

有效信道的平均容量的上边界为：

其中，P_C＝|C|² (18)

λ_s为R^(v)的第s个最大特征值。不考虑公式(2)中C的限制，通过选择C使其符合以下公式(19)，(17)公式中(a)对应的等式可被保持：

C＝U(:,1:S) (19)

问题是使用公式(19)计算的C一般不满足公式(2)中的块对角结构的要求，除非U也具有公式(2)中的块对角结构。因此，为使有效信道的平均容量取得最大值，辐射方向图需满足以下两项：选择{p_n(θ),n＝1～N}使得：

●U为具有公式(2)中结构的块对角矩阵或近似块对角矩阵；

●{λ_s,s＝1～S}最大。

标记

则

对R^(v)执行SVD，则有：R^(v)＝U^(v)Λ^(v)(U^(v))^H

因为零均值独立随机变量，R^(v)是(或近似)对角矩阵，因此U^(v)中的每一特征矢量仅具有一个主要非零项。该主要非零项的位置对于不同特征矢量是不同的。假设用q_s标记U^(v)中第s个特征矢量的主要非零项的位置，则q_s的值代表第s个特征矢量的主要方向角(注意尽管在LOS(视距，line of sight，LOS)信道中，具有非零均值，R^(v)仍接近于对角矩阵，因为在l>1时具有零均值)。

首先考虑一般情形，也即p_n(θ)可取任意非负数。在该情形下，选择

p_n(θ)满足：

对于n＝(s-1)N/S+1～sN/S (22)

其中，p_qs为正的实常数，使得即在所有方向上的总的天线增益为常数，与辐射方向图无关。利用公式(22)，满足以下形式：

对于n＝(s-1)N/S+1～sN/S (23)

则可得到：

从公式(24)可看到，公式(16)中的U为具有与公式(2)中结构相同的块对角矩阵。考虑到在所有方向上的一个天线单元的总天线增益为常数、而与辐射方向图无关的因素，公式(24)中的{λ_s,s＝1～S}也取得最大值。

使用在中国专利申请^[1]中公开的RA技术，可得到辐射方向图由以下公式表示：

其中，f(θ)表示朝向角θ的天线增益，可根据信道状态信息被调整以改变RA单元的辐射方向图，a为归一化因数。可根据以下公式(26)来选择

对于n＝(s-1)N/S+1～sN/S (26)在该情形下，Q为非严格的对角矩阵，但对角项是主要的。非对角项的大小取决于{q_s,s＝1～S}之间的间隔。若辐射方向图的波瓣可被进一步缩窄，即其中a>2。Q将更接近对角矩阵。

在实践中，很难设计RA单元使得公式(25)中的取得任意值。典型地，可根据中国专利申请^[1]来设计RA，从有限集合S中取值。此时，公式(26)可表示为：

对于n＝(s-1)N/S+1～sN/S (27)

本领域技术人员应能理解上述确定MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图的方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的确定MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图的方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

优选地，所述可重构天线为由至少两个可重构天线单元组成的可重构天线阵列；其中，辐射方向图确定装置11基于用户的信道状态信息确定所述MIMO***中基站端的每一可重构天线单元的辐射方向图。在此，辐射方向图确定装置11确定每一可重构天线单元的辐射方向图的方式与前述辐射方向图确定装置11确定每一可重构天线的辐射方向图的方式相同或近似，为简明起见，故在此不再赘述，并以引用的方式包含与此。

接着，矩阵计算装置12根据所述信道状态信息与所述辐射方向图，分别计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵。

在此，矩阵计算装置12可根据在国际申请号为PCT/CN2014/079877的国际专利申请^[2]公开的算法来分别计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵，如模拟预编码矩阵与信道的二阶统计相适应，即模拟预编码矩阵为：C＝U(:,1:S) (28)

其中，U在公式(16)中被定义。

在具体实施例中，本发明中的模拟预编码矩阵由相移网络实现，不同结构的相移网络均可用于本发明。

数字预编码矩阵与经过模拟预编码后的有效信道相适配。在此，任何现有多用户预编码算法可被用于计算数字预编码矩阵。例如，运用信道求逆算法，数字预编码矩阵{B_w}可被计算为如以下公式表示：

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

其中，P为具有表示K个用户的传输功率的对角元的对角矩阵。

本领域技术人员应能理解上述计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵的方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵的方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

然后，数字预编码处理装置13根据所述数字预编码矩阵对所述基站端的待发射数据进行数字预编码处理，以获得经数字预编码处理后的所述待发射数据，如利用公式(29)所示的数字预编码矩阵对基站端的待发射数据进行数字预编码处理。

模拟预编码处理装置14根据所述模拟预编码矩阵，对经数字预编码处理后的所述待发射数据进行模拟预编码处理，如利用公式(28)所示的模拟预编码矩阵对经公式(29)所示的数字预编码矩阵处理后的所述待发射数据进行模拟预编码处理。

本领域技术人员应确定，在具体实施例中，辐射方向图确定装置11、矩阵计算装置12和数字预编码处理装置13可同时位于基带处理模块中，模拟预编码处理装置14位于RF前端。

设备1的各个装置之间是持续不断工作的。具体地，辐射方向图确定装置11持续基于用户的信道状态信息确定所述MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图；矩阵计算装置12持续根据所述信道状态信息与所述辐射方向图，分别计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵；数字预编码处理装置13持续根据所述数字预编码矩阵对所述基站端的待发射数据进行数字预编码处理，以获得经数字预编码处理后的所述待发射数据；模拟预编码处理装置14持续根据所述模拟预编码矩阵，对经数字预编码处理后的所述待发射数据进行模拟预编码处理。在此，本领域技术人员应当理解，所述“持续”是指设备1的各装置之间分别不断地进行辐射方向图的确定、模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵的计算，及预编码处理，直至设备1在较长时间内停止确定所述辐射方向图。

优选地，所述MIMO***还包括辐射方向图控制模块，其中，设备1还包括发送装置(未示出)。具体地，发送装置将所述每一可重构天线的辐射方向图发送至所述辐射图控制模块，以由所述辐射方向图控制模块基于所述辐射方向图控制相应可重构天线的辐射方向。在具体实施例中，发送装置与辐射方向图确定装置11相连接，如图5示出本发明一个实施例的混合预编码结构示意图。

本发明有益效果

在此，通过仿真结果具体说明本发明相对现有技术的有益效果。

考虑具有N_FFT＝1024个子载波且N_T＝64个基站天线的大规模MIMOOFDM***的DL传输，假设一个小区中共有10个单天线用户，基站使用混合多用户预编码来同时支持多个用户，RF链路数量设置为S＝16<<64，分别采用传统天线和辐射方向图可重构天线。对于RA，假设辐射方向图遵循公式(25)，可从集合S中取值，集合的大小为Q，设置S＝{θ|-π/2≤θ≤π/2}、Q为无穷的，以及S＝{-π/3,0,π/3}、Q＝3两种情形。

如图6示出基于图1所示的结构(记为Archi-1)和图2所示的结构(记为Archi-2)分别采用传统天线和采用可重构天线的该大规模MIMO***的平均容量。其中，图6中的Archi-1w/o RA表示大规模MIMO***中的预编码结构基于图1所示的结构但采用传统天线，Archi-1w RA表示大规模MIMO***中的预编码结构基于图1所示的结构但采用RA天线，类似地，Archi-2w/o RA表示大规模MIMO***中的预编码结构基于图2所示的结构但采用传统天线，Archi-2w RA表示大规模MIMO***中的预编码结构基于图2所示的结构但采用RA天线。从图6可以看出，对于该两种结构，RA可带来较大性能增益，具体地，如采用RA的Archi-2可实现与采用传统天线的Archi-1相似的性能。由于Archi-2比Archi-1易于实现、且RA单元相对于传统天线，所引入成本和复杂性增加非常有限，因此，本发明所提出的基于RA的混合预编码技术在混合预编码的性能和复杂性之间能够提供良好平衡，并能显著降低混合预编码的复杂性但没有太多性能损失。从图6还可以看出，的有限分辨率虽能降低基于RA的混合预编码性能，但性能损失是相对较小的。

根据以上仿真结果，本发明所提出的基于RA的混合预编码技术不仅能显著提高混合预编码的性能，而根据仿真结果，在具有16个RF链路的64天线***中，本发明所提出的技术能够相对于基于传统天线而未改变电学特性的传统混合预编码技术提高23％性能，使用数量少的RF链路仍实现大规模MIMO的大部分增益；而且，由于基于RA技术的低成本和简单结构，本发明不增加硬件成本和复杂性，在混合预编码的性能和复杂性之间能够提供良好平衡。

图7示出根据本发明另一个方面的一种用于MIMO***的基于可重构天线的混合预编码的方法流程图。

其中，该方法包括步骤S1、步骤S2、步骤S3和步骤S4。具体地，在步骤S1中，设备1基于用户的信道状态信息确定所述MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图；在步骤S2中，设备1根据所述信道状态信息与所述辐射方向图，分别计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵；在步骤S3中，设备1根据所述数字预编码矩阵对所述基站端的待发射数据进行数字预编码处理，以获得经数字预编码处理后的所述待发射数据；在步骤S4中，设备1根据所述模拟预编码矩阵，对经数字预编码处理后的所述待发射数据进行模拟预编码处理。

在此，设备1是指能够将RA技术应用于现有混合预编码方案中的设备。在此，设备1包括一种能够按照事先设定或存储的指令，自动进行数值计算和信息处理的电子设备，其硬件包括但不限于微处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(FPGA)、数字处理器(DSP)、嵌入式设备等。

具体地，在步骤S1中，设备1基于用户的信道状态信息确定所述MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图，如将MIMO***的有效信道的平均容量取得最大值时的辐射方向图作为所述辐射方向图。在此，所述有效信道是指经过模拟预编码后的信道。

在此，以图2所示混合预编码结构为例，示出本发明如何基于用户的信道状态信息确定MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图。

考虑采用正交频分复用(OFDM)的、具有N_FFT个子载波的大规模MIMO***的下行链路(DL)，假设采用时分双工模式(TDD)，因此，基站能够从上行链路探测信号获得用户的信道状态信息(CSI)，假设该MIMO***中基站配置N个可重构天线、S个RF链路，其中，S<N，K个单天线用户同时使用混合多用户预编码在相同时频资源上被服务，其中，K≤S。在该预编码结构下，MIMO处理被分为模拟预编码和数字预编码，如下所示：

W_w＝CB_w (30)

其中，W_w＝CB_w表示在第w个子载波上的N×K维预编码矩阵，C为N×S维宽带模拟预编码矩阵，B_w为在第w个子载波上的S×K维窄带预编码矩阵。由于在反数字傅里叶变换(IDFT)之后，模拟预编码被执行，相同的模拟预编码矩阵C被所有子载波共享。基于图2所示的预编码结构，模拟预编码矩阵符合以下结构：

其中，c_s(s＝1～S)为N/S×1矢量(注意，在图1所示的相移网络结构中，不存在对C的结构的限制，因此，图1所示的结构的性能总是优于图2所示的结构，其代价是更复杂的相移网络)。

信道模型

首先，引入表示天线辐射方向图与信道响应之间关系的信道模型，假设p_n(θ)表示第n个RA单元对应方向角θ的天线增益，则基站和用户k之间在第w个子载波上的信道响应矢量可表示为：

其中，τ_k,l,θ_k,l和β_k,l分别标记用户k的第l个传播路径的延时、方向角和(复)幅度，P(θ)表示以p_n(θ)为第n个对角项的对角矩阵，f(w,τ)＝exp(-ι2π(w-1)Wτ/N_FFT)，W为***带宽，a(θ)为对应方向角θ的天线阵列响应矢量，假设天线阵列是均匀线性阵列，有a(θ)＝[1exp(-ι2πθ)Lexp(-ι(N-1)2πθ)]^T。在公式(3)中， 表示用户k的第l个路径的物理到达角，α＝d/λ，λ为传播波长。通过在固定均匀间隔虚拟角上基于虚拟路径描述信道，则有

并标记公式(32)可被写为

其中，S_k(q)为传播路径集，被定义为：

x_k,l＝A^Ha(θ_k,l) (36)

在公式(34)中，(a)基于x_k,l仅具有一个主要元素，并且该主要元素的位置q满足l∈S_k(q)的事实而导出；利用以下近似，(b)被导出：

若l∈S_k(q)，

根据公式(34)，可得到：

其中，

辐射方向图确定

本发明中辐射方向图{p_n(θ),n＝1～N}被设计以使得模拟预编码后的有效信道的平均容量取得最大值。利用克罗内克(Kronecker)模型，信道矩阵可表示为：

其中，

且

为发射端和接收端的相关矩阵，的元素为具有单位方差的独立同分布(i.i.d.)复高斯变量。对R^(t)执行奇异值分解(SVD)，则有：

R^(t)＝UΛU^H (45)

有效信道的平均容量的上边界为：

其中，P_C＝|C|² (47)

λ_s为R^(v)的第s个最大特征值。不考虑公式(31)中C的限制，通过选择C使其符合以下公式(48)，(46)公式中(a)对应的等式可被保持：

C＝U(:,1:S) (48)

问题是使用公式(19)计算的C一般不满足公式(31)中的块对角结构的要求，除非U也具有公式(31)中的块对角结构。因此，为使有效信道的平均容量取得最大值，辐射方向图需满足以下两项：选择{p_n(θ),n＝1～N}使得：

●U为具有公式(31)中结构的块对角矩阵或近似块对角矩阵；

●{λ_s,s＝1～S}最大。

标记

则

对R^(v)执行SVD，则有：R^(v)＝U^(v)Λ^(v)(U^(v))^H

因为零均值独立随机变量，R^(v)是(或近似)对角矩阵，因此U^(v)中的每一特征矢量仅具有一个主要非零项。该主要非零项的位置对于不同特征矢量是不同的。假设用q_s标记U^(v)中第s个特征矢量的主要非零项的位置，则q_s的值代表第s个特征矢量的主要方向角(注意尽管在LOS(视距，line of sight，LOS)信道中，具有非零均值，R^(v)仍接近于对角矩阵，因为在l>1时具有零均值)。

首先考虑一般情形，也即p_n(θ)可取任意非负数。在该情形下，选择p_n(θ)满足：

对于n＝(s-1)N/S+1～sN/S (51)

其中，p_qs为正的实常数，使得即在所有方向上的总的天线增益为常数，与辐射方向图无关。利用公式(51)，满足以下形式：

对于n＝(s-1)N/S+1～sN/S (52)

则可得到：

从公式(53)可看到，公式(45)中的U为具有与公式(31)中结构相同的块对角矩阵。考虑到在所有方向上的一个天线单元的总天线增益为常数、而与辐射方向图无关的因素，公式(53)中的{λ_s,s＝1～S}也取得最大值。

使用在中国专利申请^[1]中公开的RA技术，可得到辐射方向图由以下公式表示：

其中，f(θ)表示朝向角θ的天线增益，可根据信道状态信息被调整以改变RA单元的辐射方向图，a为归一化因数。可根据以下公式(26)来选择

对于n＝(s-1)N/S+1～sN/S (55)

在该情形下，Q为非严格的对角矩阵，但对角项是主要的。非对角项的大小取决于{q_s,s＝1～S}之间的间隔。若辐射方向图的波瓣可被进一步缩窄，即其中a>2。Q将更接近对角矩阵。

在实践中，很难设计RA单元使得公式(54)中的取得任意值。典型地，可根据中国专利申请^[1]来设计RA，从有限集合S中取值。此时，公式(55)可表示为：

对于n＝(s-1)N/S+1～sN/S (56)

本领域技术人员应能理解上述确定MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图的方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的确定MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图的方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

优选地，所述可重构天线为由至少两个可重构天线单元组成的可重构天线阵列；其中，在步骤S1中，设备1基于用户的信道状态信息确定所述MIMO***中基站端的每一可重构天线单元的辐射方向图。在此，在步骤S1中，设备1确定每一可重构天线单元的辐射方向图的方式与前述在步骤S1中，设备1确定每一可重构天线的辐射方向图的方式相同或近似，为简明起见，故在此不再赘述，并以引用的方式包含与此。

接着，在步骤S2中，设备1根据所述信道状态信息与所述辐射方向图，分别计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵。

在此，在步骤S2中，设备1可根据在国际申请号为PCT/CN2014/079877的国际专利申请^[2]公开的算法来分别计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵，如模拟预编码矩阵与信道的二阶统计相适应，即模拟预编码矩阵为：

C＝U(:,1:S) (57)

其中，U在公式(45)中被定义。

在具体实施例中，本发明中的模拟预编码矩阵由相移网络实现，不同结构的相移网络均可用于本发明。

数字预编码矩阵与经过模拟预编码后的有效信道相适配。在此，任何现有多用户预编码算法可被用于计算数字预编码矩阵。例如，运用信道求逆算法，数字预编码矩阵{B_w}可被计算为如以下公式表示：

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

其中，P为具有表示K个用户的传输功率的对角元的对角矩阵。

本领域技术人员应能理解上述计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵的方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵的方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

然后，在步骤S3中，设备1根据所述数字预编码矩阵对所述基站端的待发射数据进行数字预编码处理，以获得经数字预编码处理后的所述待发射数据，如利用公式(58)所示的数字预编码矩阵对基站端的待发射数据进行数字预编码处理。

在步骤S4中，设备1根据所述模拟预编码矩阵，对经数字预编码处理后的所述待发射数据进行模拟预编码处理，如利用公式(57)所示的模拟预编码矩阵对经公式(58)所示的数字预编码矩阵处理后的所述待发射数据进行模拟预编码处理。

设备1的各个步骤之间是持续不断工作的。具体地，在步骤S1中，设备1持续基于用户的信道状态信息确定所述MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图；在步骤S2中，设备1持续根据所述信道状态信息与所述辐射方向图，分别计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵；在步骤S3中，设备1持续根据所述数字预编码矩阵对所述基站端的待发射数据进行数字预编码处理，以获得经数字预编码处理后的所述待发射数据；在步骤S4中，设备1持续根据所述模拟预编码矩阵，对经数字预编码处理后的所述待发射数据进行模拟预编码处理。在此，本领域技术人员应当理解，所述“持续”是指设备1的各步骤之间分别不断地进行辐射方向图的确定、模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵的计算，及预编码处理，直至设备1在较长时间内停止确定所述辐射方向图。

优选地，所述MIMO***还包括辐射方向图控制模块，其中，设备1还包括步骤S5(未示出)。具体地，在步骤S5中，设备1将所述每一可重构天线的辐射方向图发送至所述辐射图控制模块，以由所述辐射方向图控制模块基于所述辐射方向图控制相应可重构天线的辐射方向。如图5示出本发明一个实施例的混合预编码结构示意图。

需要注意的是，本发明可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，可采用专用集成电路(ASIC)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一个实施例中，本发明的软件程序可以通过处理器执行以实现上文所述步骤或功能。同样地，本发明的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本发明的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。

另外，本发明的一部分可被应用为计算机程序产品，例如计算机程序指令，当其被计算机执行时，通过该计算机的操作，可以调用或提供根据本发明的方法和/或技术方案。而调用本发明的方法的程序指令，可能被存储在固定的或可移动的记录介质中，和/或通过广播或其他信号承载媒体中的数据流而被传输，和/或被存储在根据所述程序指令运行的计算机设备的工作存储器中。在此，根据本发明的一个实施例包括一个装置，该装置包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发该装置运行基于前述根据本发明的多个实施例的方法和/或技术方案。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种用于MIMO***的基于可重构天线的混合预编码的方法，其中，所述MIMO***中的天线为可重构天线，其中，该方法包括以下步骤：

a基于用户的信道状态信息确定所述MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图；

b根据所述信道状态信息与所述辐射方向图，分别计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵；

c根据所述数字预编码矩阵对所述基站端的待发射数据进行数字预编码处理，以获得经数字预编码处理后的所述待发射数据；

d根据所述模拟预编码矩阵，对经数字预编码处理后的所述待发射数据进行模拟预编码处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤a包括：

-基于用户的信道状态信息确定所述MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图，其中，所述MIMO***的有效信道的平均容量在该辐射方向图下取得最大值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述MIMO***还包括辐射方向图控制模块，其中，该方法还包括：

-将所述每一可重构天线的辐射方向图发送至所述辐射图控制模块，以由所述辐射方向图控制模块基于所述辐射方向图控制相应可重构天线的辐射方向。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述模拟预编码矩阵由相移网络实现。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述可重构天线为由至少两个可重构天线单元组成的可重构天线阵列；其中，所述步骤a包括：

-基于用户的信道状态信息确定所述MIMO***中基站端的每一可重构天线单元的辐射方向图。

6.一种用于MIMO***的基于可重构天线的混合预编码的设备，其中，所述MIMO***中的天线为可重构天线，其中，该设备包括：

辐射方向图确定装置，用于基于用户的信道状态信息确定所述MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图；

矩阵计算装置，用于根据所述信道状态信息与所述辐射方向图，分别计算模拟预编码矩阵与数字预编码矩阵；

数字预编码处理装置，用于根据所述数字预编码矩阵对所述基站端的待发射数据进行数字预编码处理，以获得经数字预编码处理后的所述待发射数据；

模拟预编码处理装置，用于根据所述模拟预编码矩阵，对经数字预编码处理后的所述待发射数据进行模拟预编码处理。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述辐射方向图确定装置用于：

-基于用户的信道状态信息确定所述MIMO***中基站端的每一可重构天线的辐射方向图，其中，所述MIMO***的有效信道的平均容量在该辐射方向图下取得最大值。

8.根据权利要求6或7所述的设备，其中，所述MIMO***还包括辐射方向图控制模块，其中，该设备还包括：

发送装置，用于将所述每一可重构天线的辐射方向图发送至所述辐射图控制模块，以由所述辐射方向图控制模块基于所述辐射方向图控制相应可重构天线的辐射方向。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的设备，其中，所述模拟预编码矩阵由相移网络实现。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的设备，其中，所述可重构天线为由至少两个可重构天线单元组成的可重构天线阵列；其中，所述辐射方向图确定装置用于：

-基于用户的信道状态信息确定所述MIMO***中基站端的每一可重构天线单元的辐射方向图。