一种基于几何构造的毫米波数字模拟混合预编码设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于几何构造的毫米波数字模拟混合预编码设计方法，其特征在于，包括如下步骤：1、根据发射端天线与接收端天线的信道状态信息计算纯数字预编码矩阵FD；2、对纯数字预编码矩阵FD进行矩阵分解，分解为模拟预编码矩阵FRF和数字预编码矩阵FBB的乘积；3、设置数字预编码矩阵FBB中的系数fi(n)；4得到关于第i个用户的模拟域相位φm,M+n的非线性方程：

【技术实现步骤摘要】
一种基于几何构造的毫米波数字模拟混合预编码设计方法
本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种基于几何构造的毫米波数字模拟混合预编码设计方法。
技术介绍
随着无线通信技术的不断发展，高速数据业务以及无处不在的接入需求正呈现出一种爆炸式的增长。下一代5G移动通信技术，对容量、能耗和带宽的需求将越来越高。有研究表明，在基站端采用大规模天线阵列，可以带来系统能效以及频谱利用率提高等多种性能优势。但是，在传统微波频段，大量的天线会导致满足隔离度的天线尺寸较大，给系统的硬件实现带来了一定的困难。移动数据需求的不断增长，同时也使得6GHz以下的频谱变得越来越拥挤，而6-300GHz的频谱还没有被充分利用。毫米波频段因其大量未授权的带宽被选为下一代无线局域网和移动通信系统的关键频谱，能够大大缓解现有的低频频谱困局。毫米波和MIMO系统结合，可以利用空间复用和空间分集技术进一步提高传输速率和传输质量。虽然相对于传统频段，毫米波传输面临着更大的路径损耗，因而通信距离与覆盖范围十分有限。但是毫米波信号的短波长允许大量天线以非常小的尺寸封装，进而可以利用大规模天线阵列的阵列增益和空分复用增益，弥补系统严重的路径损耗，提高通信距离及增加覆盖范围。在毫米波MIMO系统中，对于任意的设计准则，纯数字波束成型(DigitalBeamforming)方法总能够得到相对最优的系统性能。但是DB方案下，发射和接收端的每根天线都需要连接一个射频链路。当天线数较大时，系统的硬件成本过高。纯模拟波束成型方案相较于纯数字波束成型方案，虽然成本降低，但是受射频链路的硬件限制较大，自由度较小。因此在毫米波系统中，一般采用混合预编码的方式，期望获得与纯数字波束成型方法相近的系统性能，一方面，数字预编码层能提供更多的自由度，同时传输多个数据流；另一方面，模拟预编码层减少了射频链的使用数量，系统的硬件成本得以降低。在现有的大多数混合预编码设计方法中，为得到合适的模拟预编码矢量，通常需要对码书进行贪婪搜索，而码书大小通常随系统天线数、相位量化比特数呈指数增长，因此，大范围搜索必然导致系统复杂度较高。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术公开了一种种基于几何构造的毫米波数字模拟混合预编码设计方法，该方法从几何角度出发，将原本的基于矩阵分解的预编码设计问题转化成复平面的三角形构造问题，降低了系统的码字搜索复杂度(时间复杂度)和计算复杂度，同时有效提升系统的频谱效率。技术方案：本专利技术采用如下技术方案：一种基于几何构造的毫米波数字模拟混合预编码设计方法，包括如下步骤：(1)根据发射端天线与接收端天线的信道状态信息计算纯数字预编码矩阵FD＝[fD,1,fD,2,,…,fD,U]；其中U为接收端用户数；(2)对纯数字预编码矩阵FD进行矩阵分解，分解为模拟预编码矩阵FRF和数字预编码矩阵FBB的乘积，即：FD＝FRFFBB；(3)设置数字预编码矩阵FBB中的系数fi(n)；(4)得到关于第i个用户的模拟域相位φm,M+n的非线性方程：其中fD,i＝[fD,i(1),fD,i(2),…,fD,i(Nt)]T，m＝1,2,...,Nt，n＝1,2,...,Ni，Nt是发射天线数、NRF是射频链数，Ni(i＝1,…,U)为支持发射端第i个数据流传输的射频链路数；(5)求解步骤(3)中的非线性方程，得到模拟域相位φm,n和数字域系数fi(n)，进而得到模拟预编码矩阵FRF和数字预编码矩阵FBB。具体地，步骤(5)中通过构造复平面上的三角形来求解步骤(4)中的非线性方程，包括如下步骤：(5.1)参数配置，取：d＝fD,i(m)bn＝fi(n)＝||fD,i||∞/Ni,n＝1,2,...,Ni将d与bn按照模值大小从大到小排列，n＝1,2,...,Ni；(5.2)假设|b1|≥…≥|bk|≥|d|≥|bk+1|≥…≥|bN|，令：(5.3)定义三角形的三条边为：c＝|v1|m从2开始递增取值，直到满足条件：|a-b|≤c；此时c即三角形最长边，a、b为三角形另两条边；(5.4)计算三角形(a,c)边的夹角β和(b,c)边的夹角α：(5.5)得到非线性方程中模拟预编码矩阵元素的相位φm,M+n与三角形夹角之间存在线性关系：(5.6)根据步骤(5.5)中三角形夹角与模拟预编码矩阵中各元素相位之间的线性关系，计算矢量的相位，得到FRF的值。优选地，数字预编码矩阵FBB中的系数fi(n)设置如下：|f1(1)|＝|f1(2)|＝…＝|f1(N1)||f2(1)|＝|f2(2)|＝…＝|f2(N2)||fU(1)|＝|fU(2)|＝…＝|fU(NU)|其中|·|表示矢量取模运算。作为另一种优选，数字预编码矩阵FBB中的系数fi(n)设置如下：|fi(1)|＝|fi(2)|＝...＝|fi(N)|＝||fD,i||∞/Ni其中||·||∞表示取列向量中值最大的元素值。具体地，发射端天线阵是均匀线阵结构，具有如下表示形式：其中d为发射端天线间距，λ为毫米波波长。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术在模拟移相器具有连续相位调制能力时，能够获得与期望的纯数字预编码相同的性能；(2)本专利技术通过设置具有相同数值的数字预编码系数，能够显著减少系统对射频链路，包括数模转换器、上变频器的需求，降低系统的硬件成本；(3)本专利技术在各移相器具有若干比特离散量化能力以及天线数较多的情况下(对于较大的码书)，始终能够以较小的时间复杂度，逼近最优数字预编码的性能；假设移相器具有b比特量化能力，发射端配置Nt根天线及NRF个射频链，本专利技术的码字搜索复杂度为NtNRF·2b，远小于OMP方法(OrthogonalMatchingPursuit，正交匹配追踪算法)的复杂度(4)本专利技术的基于几何构造的预编码设计算法中的运算多为线性运算，而OMP算法中包含矩阵求逆等复杂的线性运算，因此本专利技术的计算复杂度也远小于OMP算法。附图说明图1为本专利技术中采用的混合架构毫米波系统框图；图2为改进前的毫米波系统结构图；图3为改进后的毫米波系统结构图；图4为本专利技术设计的数字、模拟混合预编码的流程图；图5为本专利技术实施例中单用户情境下系统容量随发射信噪比变化的仿真图；图6为本专利技术实施例中多用户情境下系统容量随发射信噪比变化的仿真图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术。如图1所示，本实施中发射端采用数字、模拟混合预编码结构，主要包括基带信号处理、射频链路(数模转化器、上变频器)以及模拟移相器等模块。发射端有Nt＝64根发射天线，NRF＝2U个射频链路，U是接收端的用户数。本实施例中只考虑发射端预编码，故接收端每个用户只配备Nr＝1根天线。需要注意的是，对于用户配备有多天线或接收端采用混合架构的毫米波系统，本专利技术提出的预编码方法也同样适用。由于发射端发送的信号流数Ns与发射天线数Nt、射频链数NRF之间应满足关系：Ns≤NRF<Nt，并且基站与每个用户之间假设都是单流通信，因此信号流数Ns＝U，因此，本实施例中单用户、多用户(假设用户数为2)毫米波系统发射端发送的信号流数分别为Ns＝1、Ns＝2。由于毫米波信道散射体有限，因此本实施例中基站与用户之间通信采用窄带几何信道模型：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于几何构造的毫米波数字模拟混合预编码设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据发射端天线与接收端天线的信道状态信息计算纯数字预编码矩阵FD＝[fD,1,fD,2,,…,fD,U]；其中U为接收端用户数；(2)对纯数字预编码矩阵FD进行矩阵分解，分解为模拟预编码矩阵FRF和数字预编码矩阵FBB的乘积，即：FD＝FRFFBB；(3)设置数字预编码矩阵FBB中的系数fi(n)；(4)得到关于第i个用户的模拟域相位φm,M+n的非线性方程：

【技术特征摘要】
1.一种基于几何构造的毫米波数字模拟混合预编码设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据发射端天线与接收端天线的信道状态信息计算纯数字预编码矩阵FD＝[fD,1,fD,2,,…,fD,U]；其中U为接收端用户数；(2)对纯数字预编码矩阵FD进行矩阵分解，分解为模拟预编码矩阵FRF和数字预编码矩阵FBB的乘积，即：FD＝FRFFBB；(3)设置数字预编码矩阵FBB中的系数fi(n)；(4)得到关于第i个用户的模拟域相位φm,M+n的非线性方程：其中fD,i＝[fD,i(1),fD,i(2),…,fD,i(Nt)]T，m＝1,2,...,Nt，n＝1,2,...,Ni，Nt是发射天线数、NRF是射频链数，Ni(i＝1,…,U)为支持发射端第i个数据流传输的射频链路数；(5)求解步骤(4)中的非线性方程，得到模拟域相位φm,n，进而得到模拟预编码矩阵FRF。2.根据权利要求1所述的基于几何构造的毫米波数字模拟混合预编码设计方法，其特征在于，步骤(5)中通过构造复平面上的三角形来求解步骤(4)中的非线性方程，包括如下步骤：(5.1)参数配置，取：d＝fD,i(m)bn＝fi(n)＝||fD,i||∞/Ni,n＝1,2,...,Ni将d与bn按照模值大小从大到小排列，n＝1,2,...,Ni；(5.2)假设|b1|≥…≥|bk|≥|d|≥|bk+1|≥…≥|bN|，令：(5.3)定义三角形的三条边为：c＝|v1|m从2开始递增取值，直到满足条件：|a-b|≤c；...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永明，苏敏华，章建军，张铖，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32