宽带毫米波系统基于时延预补偿的混合预编码方法技术方案

本发明专利技术涉及一种宽带毫米波系统基于时延预补偿的混合预编码方法，其利用信号在毫米波频段传输过程中，主要的信号能量集中在直达径上，以此对在基站端对直达径做时延预补偿，将频率选择信道模型转换成近似平坦衰落信道模型，并针对该平坦衰落信道模型构建以和速率最大优化设计问题，求解优化问题获得在基站端发射总功率受限和射频单元数目受限情况下的最优预编码向量，从而降低了射频单元开销同时抑制了单载波传输过程中的码间干扰问题，改善了移动通信的传输特性。

【技术实现步骤摘要】
宽带毫米波系统基于时延预补偿的混合预编码方法
本专利技术涉及无线通信系统
，具体涉及一种宽带毫米波系统基于时延预补偿的混合预编码方法。
技术介绍
大规模MIMO(Multiple-InputMultiple-Output，指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线通过在基站端配置数几十根至上百根天线，能够深度挖掘空间维度资源，使得基站能够利用同一个时频资源同时服务多个用户，充分发掘系统的空间自由度，从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高系统频谱效率、能量效率、以及数据传输的可靠性。MIMO系统目前常采用微波频段(小于6GHz)。相比低频段非常有限的频谱资源，毫米波(工作频段在30Hz到300GHz)能够为通信系统提供更高的带宽，成为下一代移动蜂窝通信技术的必然选择。业界普遍认为毫米波技术非常适合与大规模MIMO技术相结合,两者通过充分利用空间维度资源和丰富的频带资源，极大地提升了系统容量，成为下一代移动通信系统的关键技术。然而在毫米波大规模MIMO系统中，每根发射天线对应一条RF链路，而RF链路包括RF混频器，ADC，功率放大器等等，其中核心器件ADC通常采用高精度(如8-12bit)模数转换器(ADC)单元，这种结构不仅成本高昂，实现复杂度高且功耗大，特别是对于超过10GHz采样频率和10bit精度量化的ADC器件，芯片集成难度大，产生的海量数据给基带端数字信号的处理带来了巨大的压力。因此在毫米波大规模MIMO系统中，随着基站端天线个数的增加和宽带采样频率的提高，系统面临硬件成本高昂、系统复杂度高以及功率消耗大等瓶颈问题。因此，在毫米波大规模MIMO系统中，为了实现低成本高能效的实现低成本高能效的无线信号传输，要求RF单元的数目远小于发射天线数量并且是有限的，要求在RF链路受限情况下实现更好的系统性能。另外，由于传输带宽非常大，毫米波通信系统会工作在频率选择性信道。然而，信号在频选信道中传输时会产生严重的码间干扰。为克服码间干扰，现在无线通信系统一般采用正交频分复用或单载波频域均衡技术。然而，在高频毫米波系统中，正交频分复用技术对系统的同步性相对于低频环境中更加的敏感，以及更高的峰均比。而单载波频域均衡会出现同相和正交相位不平衡等问题。由于上述这些问题，在毫米波宽带传输环境下，传统的码间干扰消除技术并不适用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于公开一种宽带毫米波系统基于时延预补偿的混合预编码方法，以降低射频单元开销以及抑制单载波传输过程中的码间干扰问题，改善移动通信的传输特性。为了实现以上目的，本专利技术公开的一种宽带毫米波系统基于时延预补偿的混合预编码方法，包括：A：对基站端与所有用户端之间的直达路径作时延预补偿，将宽带毫米波频率选择性信道模型转换为等效近似的平坦衰落信道模型，并获得每个用户端的信干噪比；B：对时延预补偿后的平坦衰落信道模型，结合每个用户端的最大信干噪比，构建以宽带毫米波系统和速率最大化为优化目标，以基站端发射总功率受限和射频单元数目受限为约束条件的优化问题模型；C：将优化问题模型的非凸优化问题转化为凸优化问题，通过求解凸优化问题获得在基站端发射总功率受限和射频单元数目受限的情况下的最优预编码向量。进一步的，步骤A中，宽带毫米波系统中基站端对直达路径做时延补偿之后对第k个用户端的的发射信号为：xk[n]＝Fwksk[n+nk,LoS]其中，为模拟预编码矩阵，wk为第k个用户端的预编码向量；nk,LoS为第k个用户端对应的LoS径的时延预补偿因子；sk[n]为归一化功率的发射给第k个用户端的符号，n为符号因子；通过累加K个用户端后的发射信号为：第k个用户端的接收信号为：其中，为基站端与第k个用户端之间第l条路径的快衰落信道因子；zk[n]为高斯白噪声；*表示卷积运算；从而，用户端的信干噪比表达式为：其中，为基站端与第k个用户端之间直达路径的信道系数；wk为第k个用户端的数字预编码向量，wk'为第k'个用户端的数字预编码向量，F为模拟预编码矩阵，σ2表示噪声功率；|·|表示绝对值运算。进一步的，步骤B中，第k个用户端的和速率表达式为：Rk＝log2(1+SINRk)宽带毫米波系统和速率最大化表示为：基站端发射总功率受限表示为：其中，P为基站端最大发射功率，表示模拟预编码器的矩阵集合，||·||2表示向量的2范数的平方；射频单元数目受限表示为：其中，MRF为射频单元数目，为天线m上对应所有用户端的波束成型向量，表示向量的无穷范数。进一步的，步骤B中优化问题模型表示为：其中，为预先设定的维度为M×N的码书矩阵，N表示在码书中码字的数目，表示维度为M×N的常模射频预编码码字空间；之后，等效的基带预编码转换成进一步的，步骤C中，将优化问题模型的非凸优化问题转化为凸优化问题具体如下：其中，αk，ak和bk为引入的辅助变量；λ为正则化参数，它控制解的稀疏性；和为在点一阶周围，tr(·)表示对矩阵求迹运算，1N表示维度为N×N的单位矩阵。有益效果：本专利技术利用信号在毫米波频段传输过程中，主要的信号能量集中在直达径上，以此对在基站端对直达径做时延预补偿，将频率选择信道模型转换成近似平坦衰落信道模型，并针对该平坦衰落信道模型构建以和速率最大优化设计问题，求解优化问题获得在基站端发射总功率受限和射频单元数目受限情况下的最优预编码向量，从而降低了射频单元开销同时抑制了单载波传输过程中的码间干扰问题，改善了移动通信的传输特性。附图说明图1是实施例公开的一种宽带毫米波系统基于时延预补偿的混合预编码方法所应用的宽带毫米波全联通阵列系统框图。图2是实施例公开的一种宽带毫米波系统基于时延预补偿的混合预编码方法流程示意图。图3是针对实施例公开的一种宽带毫米波系统基于时延预补偿的混合预编码方法进行仿真实验得出的SNR与可达和速率关系曲线结果图。图4是针对实施例公开的一种宽带毫米波系统基于时延预补偿的混合预编码方法进行仿真实验得出基站天线数目与可达和速率曲线结果图。具体实施方式为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本专利技术进行进一步描述。实施例请参阅图1至图2，实施例公开的一种宽带毫米波系统基于时延预补偿的混合预编码方法，应用于宽带毫米波全联通阵列系统(本专利技术简称为宽带毫米波系统)，主要设计构思：首先，利用信号在毫米波频段传播过程中，主要的信号能量集中在直达路径上，因而在基站端对直达路径做时延预补偿，此时宽带毫米波频率选择性信道被转换为平坦衰落信道；其次，针对该平坦衰落信道模型构建以和速率最大优化设计问题；最后，求解优化问题获得在基站端发射总功率受限和射频单元数目受限情况下的最优预编码向量(最优数字预编码矩阵和最优模拟预编码矩阵)。该方法具体包括如下步骤(1)至步骤(3)：步骤(1)：在基站端，对基站端与所有用户端之间的直达路径作时延预补偿，将宽带毫米波频率选择性信道模型转换为等效近似的平坦衰落信道模型，并获得每个用户端的信干噪比。步骤(1)中，宽带毫米波系统中基站端对直达路径做时延补偿之后对第k个用户端的的发射信号为：xk[n]＝Fwksk[n+nk,LoS](公式1)其中，为模拟预编码矩阵，wk为第k个用户端的预编码向量；nk,LoS为第k个用户端对应的LoS径的时延预补偿因子；sk[n本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽带毫米波系统基于时延预补偿的混合预编码方法，其特征在于，包括：A：对基站端与所有用户端之间的直达路径作时延预补偿，将宽带毫米波频率选择性信道模型转换为等效近似的平坦衰落信道模型，并获得每个用户端的信干噪比；B：对时延预补偿后的平坦衰落信道模型，结合每个用户端的最大信干噪比，构建以宽带毫米波系统和速率最大化为优化目标，以基站端发射总功率受限和射频单元数目受限为约束条件的优化问题模型；C：将优化问题模型的非凸优化问题转化为凸优化问题，通过求解凸优化问题获得在基站端发射总功率受限和射频单元数目受限的情况下的最优预编码向量。

【技术特征摘要】
1.一种宽带毫米波系统基于时延预补偿的混合预编码方法，其特征在于，包括：A：对基站端与所有用户端之间的直达路径作时延预补偿，将宽带毫米波频率选择性信道模型转换为等效近似的平坦衰落信道模型，并获得每个用户端的信干噪比；B：对时延预补偿后的平坦衰落信道模型，结合每个用户端的最大信干噪比，构建以宽带毫米波系统和速率最大化为优化目标，以基站端发射总功率受限和射频单元数目受限为约束条件的优化问题模型；C：将优化问题模型的非凸优化问题转化为凸优化问题，通过求解凸优化问题获得在基站端发射总功率受限和射频单元数目受限的情况下的最优预编码向量。2.根据权利要求1所述的宽带毫米波系统基于时延预补偿的混合预编码方法，其特征在于，步骤A中，宽带毫米波系统中基站端对直达路径做时延补偿之后对第k个用户端的的发射信号为：xk[n]＝Fwksk[n+nk,LoS]其中，为模拟预编码矩阵，wk为第k个用户端的预编码向量；nk,LoS为第k个用户端对应的LoS径的时延预补偿因子；sk[n]为归一化功率的发射给第k个用户端的符号，n为符号因子；通过累加K个用户端后的发射信号为：第k个用户端的接收信号为：其中，为基站端与第k个用户端之间第l条路径的快衰落信道因子；zk[n]为高斯白噪声；*表示卷积运算；从而，用户端的信干噪比表达式为：其中，为基站端与第k个...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭伟强，黄伟，谭伟杰，杨雅涵，范立生，谢冬青，金石，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：广东,44