一种毫米波通信中基于迭代最小的预编码方法技术

本发明专利技术公开了一种毫米波通信中基于迭代最小的预编码方法，将信道采用DFT分解方式进行分解，构造出最优的混合预编码，将混合预编码的设计转换为矩阵的分解问题，通过对数字预编码实施正交约束，根据数字预编码的正交特性，将模拟预编码的相位提取出来，通过多次迭代，从而形成最终的混合预编码方案。与其他预编码方式对比，该方法能够提高系统的频谱效率，降低预编码技术的复杂度。

【技术实现步骤摘要】
一种毫米波通信中基于迭代最小的预编码方法
本专利技术涉及一种能够提高频谱效率，且降低混合预编码的复杂度的毫米波大规模MIMO的混合预编码方法，属于无线通信

技术介绍
无线网络的容量随着高数据速率多媒体的接入，而呈现指数型增长。通过利用物理层技术可以提高频谱效率，如大规模MIMO，信道编码，以及网络密集化等技术由于这些技术本身可能不足以满足未来的业务需求。因此，利用未充分利用的频谱带来增加商业无线系统的频谱是增加网络容量的一种解决方案。最初，mmWave蜂窝系统的成功的主要障碍是由于载波频率的十倍增加带来的巨大的路径损耗和雨衰得益于mmWAVE信号的波长较小，mmWAVEMIMO预编码可以利用收发器上的大规模天线提供显着的波束成形增益，以应对路径损耗并合成高度定向的波束。此外，可以通过经由空间复用发送多个数据流来进一步增加频谱效率。传统的MIMO系统中，预编码通常是在基带处数字的进行处理，这样使得能够控制信号的幅度和相位。但是，完全的数字预编码需要与天线元件相当的专用基带和射频(RF)链。不幸的是，由于毫米波混合信号的硬件成本和功耗使得这种收发器结构不可行。为了减少RF链的数量，本文考虑混合模拟和数字预编码，即通过低维的数字预编码器和高维的模拟预编码器串联来实现。其中模拟预编码通常采用移相器来实现，即将恒定的模数约束放置在RF预编码器的元件上。混合预编码是毫米波MIMO系统中新出现的技术。正交匹配追踪(OMP)算法是最广泛使用的算法，该算法需要从某些候选的矢量中选取模拟预编码矩阵的列，尽管这种方式极大的简化了设计问题，但是也将提出额外的开销来用于预先获取阵列响应向量的信息，因此还具有一定的复杂度。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种毫米波通信中基于迭代最小的预编码方法，该方法能够提高系统的频谱效率，降低预编码技术的复杂度。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种毫米波通信中基于迭代最小的预编码方法，将信道采用DFT分解方式进行分解，构造出最优的混合预编码，将混合预编码的设计转换为矩阵的分解问题，通过对数字预编码实施正交约束，根据数字预编码的正交特性，将模拟预编码的相位提取出来，通过多次迭代，从而形成最终的混合预编码方案。具体包括以下步骤：步骤1，通过最大化毫米波信道上的互信息来设计FRFFBB，采用解耦设计，预编码器的设计问题表示为：其中，是可行的RF预编码器的组合，也就是具有恒模约束的矩阵集合，FBB为的基带预编码器，I为单位矩阵；由于Hv酉等价于信道H，因此式子(7)重写为：将信道Hv进行分解，定义其中Hp是对角矩阵，使用Hv的信道分解式子(8)被重写为定义矩阵∑和矩阵V为两个部分，分别为：其中，∑1是一个Ns×Ns的矩阵，V1是一个Nt×Ns；最优的无约束的预编码器由Fopt＝V1给出；预编码器的设计问题重写为：min||Fopt-FRFFBB||F(11)步骤2，A.数字基带预编码结构将数字预编码矩阵的列相互正交，即，其中，FDD是和FBB有相同维数的单位酉矩阵，FDD为和FBB有着相同维数的单位酉矩阵，FBB为数字基带预编码矩阵，α为系数，为Ns维的单位矩阵；B.混和预编码设计将式子(12)代入式子(11)中，目标函数进一步重写为当且仅当时，目标函数(13)有最小值有如下表达式：其中，FDD的SVD为当且仅当时取等，目标函数的最小值的上限为对上限进行变换，得到：采用求目标函数的上限即求式子(15)的最小值，混和预编码的设计问题被重写为：问题(16)表示我们的设计目标变成了寻找单位预编码矩阵FDD，然后根据式子(12)就得到相应的预编码矩阵FBB；由于FRF去除了具有FBB的乘积形式，所以有如下公式：因此，FRF的相位由等效的预编码器来提取；对于数字预编码器的设计，首先考虑FRF是固定的，所以优化问题变成了由式子(18)可知只有一个优化变量FDD，因此它等效于根据双重规范的定义可知，我们有：只有当FDD＝V1U*时等式成立，并且是FRF的SVD，S是一个Ns维的对角矩阵，它的元素分别是前Ns个非零奇异值，只有当FDD＝V1U*时等式成立；又因为反复迭代，直到满足停止触发条件。其中，A.毫米波通信系统模型如下：将预编码器分为基带预编码器和RF预编码器，在发射机处有Nt个天线，在接收机处有Nr个天线；Ns个数据流在发射机处采用个RF链将其发送到接收机，并且满足接收机也是如此，即：该架构使得发射机能使用的基带预编码器FBB，随后是的RF预编码器FRF；离散时间发射信号X表示为X＝FRFFBBS，其中S是Ns×1的符号向量，并且满足发射机的总功约束通过归一化FBB，使得假设H是窄带块衰落传播信道矩阵，并且发射机和接收机处都具有完美的信道状态信息CSI，其中，CSI通过在接收机处的信道估计来获得，并且在发射机处进一步与有效反馈技术共享；其发射机产生的接收信号为：其中，为发射机产生的接收信号，H是Nr×Nt的信道矩阵，且满足ρ表示平均接收功率，n是服从的独立同分布噪声向量，表示方差；在接收机处，采用RF组合器WRF和基带组合器WBB从接收信号恢复出发送的数据流S；经过接收机处理过的信号为；其中，y为接收机处理过的信号，WRF是的RF组合矩阵，WBB是的基带组合矩阵；与RF预编码类似，WRF也采用移相器来实现，当发射符号遵循高斯分布时，可实现的频谱效率可以表示为：其中，R为频谱效率，为Ns维的单位阵，为矩阵A对的伪逆矩阵，A*为矩阵A的共轭矩阵；B.物理信道模型毫米波信道矩阵：其中，H为窄带块衰落传播信道矩阵，γ为归一化因子Ncl和Nray分别表示簇的数量和每个簇中射线的数量，βil是第i个簇中第l个射线的复增益，假设βil是服从的独立同分布高斯随机变量，并且和分别表示接收和发射阵列响应向量，和代表到达和离开的方位角和仰角(AoAs和AoDs)；当发射端和接收端采用均匀线性阵列ULA时，其中，α(φ)表示阵列响应，N表示天线数，d表示天线间隔，λ表示信号波长；C.虚拟信道表示利用有限维的空间信号来表示线性虚拟信道，利用固定的虚拟方向的空间波束，信道能被重写为：其中，Ur和Ut是由固定的虚拟角度定义的酉离散傅里叶变换矩阵，他们的列是相互正交的矢量向量Hv是Nr×Nt的虚拟信道表示，Hv是信道H的酉等价信道，它能捕获所有的信道信息本专利技术相比现有技术，具有以下有益效果：本方法能够提高系统的频谱效率，降低预编码技术的复杂度。附图说明图1是基于大规模MIMO的具有混合模拟和数字波束成形架构系统框图，图2是迭代最小化算法流程图图3是当时，不同算法的频谱效率的对比图图4是RF链路数固定时，不同数据流的系统性能。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。一种毫米波通信中基于迭代最小的预编码方法，传统的MIMO系统中，预编码通常是在基带处数字的进行处理，这样使得能够控制信号的幅度和相位。但是，完全的数字预编码需要与天线元件相当的专用基带和射频(RF)链，考虑到成本和功耗，毫米波系统中采用数字预编码本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种毫米波通信中基于迭代最小的预编码方法，其特征在于：将信道采用DFT分解方式进行分解，构造出最优的混合预编码，将混合预编码的设计转换为矩阵的分解问题，通过对数字预编码实施正交约束，根据数字预编码的正交特性，将模拟预编码的相位提取出来，通过多次迭代，从而形成最终的混合预编码方案。

【技术特征摘要】
1.一种毫米波通信中基于迭代最小的预编码方法，其特征在于：将信道采用DFT分解方式进行分解，构造出最优的混合预编码，将混合预编码的设计转换为矩阵的分解问题，通过对数字预编码实施正交约束，根据数字预编码的正交特性，将模拟预编码的相位提取出来，通过多次迭代，从而形成最终的混合预编码方案。2.根据权利要求1所述毫米波通信中基于迭代最小的预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，通过最大化毫米波信道上的互信息来设计FRFFBB，采用解耦设计，预编码器的设计问题表示为：其中，是可行的RF预编码器的组合，也就是具有恒模约束的矩阵集合，FBB为的基带预编码器，I为单位矩阵；由于Hv酉等价于信道H，因此式子(7)重写为：将信道Hv进行分解，定义其中Hp是对角矩阵，使用Hv的信道分解式子(8)被重写为定义矩阵∑和矩阵V为两个部分，分别为：其中，∑1是一个Ns×Ns的矩阵，V1是一个Nt×Ns；最优的无约束的预编码器由Fopt＝V1给出；预编码器的设计问题重写为：min||Fopt-FRFFBB||F(11)步骤2，A.数字基带预编码结构将数字预编码矩阵的列相互正交，即，其中，FDD是和FBB有相同维数的单位酉矩阵，FDD为和FBB有着相同维数的单位酉矩阵，FBB为数字基带预编码矩阵，α为系数，为Ns维的单位矩阵，B.混和预编码设计将式子(12)代入式子(11)中，目标函数进一步重写为当且仅当时，目标函数(13)有最小值有如下表达式：其中，的SVD为当且仅当时取等，目标函数的最小值的上限为对上限进行变换，得到：采用求目标函数的上限即求式子(15)的最小值，混和预编码的设计问题被重写为：问题(16)表示我们的设计目标变成了寻找单位预编码矩阵FDD，然后根据式子(12)就得到相应的预编码矩阵FBB；由于FRF去除了具有FBB的乘积形式，所以有如下公式：因此，FRF的相位由等效的预编码器来提取；对于数字预编码器的设计，首先考虑FRF是固定的，所以优化问题变成了由式子(18)可知只有一个优化变量FDD，因此它等效于根据双重规范的定义可知，我们有：只有当FDD＝V1U*时等式成立，并且是的SVD，S是一个Ns维的对角矩阵，它的元素分别是前Ns个非零奇异值，只有当FDD＝V1U*时等式成立；又因为反复迭代，直到满足停止触发条件。3.根据权利要求2所述毫米波通信中基于迭...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴蒙，于彦彦，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32