一种多天线多用户大规模天线的混合预编码方法技术

本发明专利技术提供一种多天线多用户大规模天线的混合预编码方法，能够降低成本和损耗。所述方法包括：建立基于多天线多用户大规模天线系统的接收信号与基站发射信号间的最小化均方误差优化模型，其中，发射信号经过发射端基带与射频混合预编码发射出去；根据建立的最小化均方误差优化模型，确定接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解；根据得到的接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解，利用粒子群算法计算发射端的射频预编码矩阵，并迭代优化接收端的预编码合成矩阵、发射端的基带预编码矩阵及发射端的射频预编码矩阵，直到均方误差收敛，得到优化的基带与射频混合预编码。本发明专利技术涉及无线通信技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种多天线多用户大规模天线的混合预编码方法
本专利技术涉及无线通信
，特别是指一种多天线多用户大规模天线的混合预编码方法。
技术介绍
大规模多输入多输出(massivemultiple-inputmultiple-output,massiveMIMO)系统通过在基站端配置大量收发天线，利用高的空间自由度消除干扰和调度更多用户而提升系统频谱效率、能量效率及传输可靠性等性能，满足用户日益增长的海量数据需求，是第五代移动通信的关键技术之一。预编码技术是指在信号发射前，对将要发射的信号进行的一系列信号预处理操作。传统预编码技术大多采用全数字预编码，每根发射天线需要连接一条射频链路。在大规模天线系统中应用这种预编码技术会带来过高的硬件成本和功率损耗。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种多天线多用户大规模天线的混合预编码方法，以解决现有技术所存在的基站侧硬件成本高和功率损耗大的问题。为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种多天线多用户大规模天线的混合预编码方法，包括：建立基于多天线多用户大规模天线系统的接收信号与基站发射信号间的最小化均方误差优化模型，其中，发射信号经过发射端基带与射频混合预编码发射出去；根据建立的最小化均方误差优化模型，确定接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解；根据得到的接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解，利用粒子群算法计算发射端的射频预编码矩阵，并迭代优化接收端的预编码合成矩阵、发射端的基带预编码矩阵及发射端的射频预编码矩阵，直到均方误差收敛，得到优化的基带与射频混合预编码。进一步地，建立的最小化均方误差优化模型表示为：其中，其中，MSEi表示第i个用户收发信号间的均方误差，i∈{1,2,…,K}，K表示接收端的用户数，tr(·)表示矩阵的迹运算，FB表示发射端基带预编码矩阵，FB,i表示FB的第i个列向量，FRF表示发射端射频预编码矩阵，wi表示第i个用户接收端的预编码合成矩阵，Hi表示基站与第i个用户终端间的频域信道，(·)H表示矩阵的共轭转置，I表示单位矩阵，σ2表示接收端噪声的方差。进一步地，所述根据建立的最小化均方误差优化模型，确定接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解包括：对均方误差求偏导，确定所述最小化均方误差优化模型中第i个用户接收端的预编码合成矩阵闭式解；根据所述最小化均方误差优化模型构造拉格朗日函数求发射端基带预编码的偏导，确定发射端基带预编码矩阵闭式解。进一步地，所述对均方误差求偏导，确定所述最小化均方误差优化模型中第i个用户接收端的预编码合成矩阵闭式解包括：对求wi的偏导，令导数为零，得到所述最小化均方误差优化模型中第i个用户接收端的预编码合成矩阵闭式解，表示为：进一步地，所述根据所述最小化均方误差优化模型构造拉格朗日函数求发射端基带预编码的偏导，确定发射端基带预编码矩阵闭式解包括：根据所述最小化均方误差优化模型及所述最小化均方误差优化模型的第一约束条件，构造拉格朗日函数，所述拉格朗日函数表示为：对L(FB,λ)求FB的偏导，并令导数为零，得到FB的闭式解：其中，λ表示拉格朗日乘子，Heq表示等效信道，进一步地，所述最小化均方误差优化模型的第一约束条件表示为：其中，表示基站端总发射功率，PT表示预设的发射功率阈值。进一步地，所述根据得到的接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解，利用粒子群算法计算发射端的射频预编码矩阵，并迭代优化接收端的预编码合成矩阵、发射端的基带预编码矩阵及发射端的射频预编码矩阵，直到均方误差收敛，得到优化的基带与射频混合预编码包括：A1，初始化粒子位置矩阵、速度矩阵、个体最优位置、全局最优位置和FB，其中，FB满足第一约束条件：并令为适应值函数；A2，根据接收端的预编码合成矩阵闭式解计算wi；A3，根据发射端的基带预编码矩阵闭式解计算FB；A4，确定每个粒子的位置矢量；A5，根据确定的wi、FB、每个粒子的位置矢量，计算所有粒子的适应值并进行比较，将最小适应值对应的粒子的个体最优位置作为本次迭代的全局最优位置，并将全局最优位置对应到FRF中的相位值，其中，FRF满足第二约束条件：|FRF(a,b)|表示FRF矩阵中第a行第b列元素的幅值；A6，更新粒子位置和速度；A7，返回继续执行步骤A2，迭代优化wi、FB、FRF，直至均方误差收敛并达到预设精度，得到优化的混合预编码矩阵FB和FRF。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：上述方案中，建立基于多天线多用户大规模天线系统的接收信号与基站发射信号间的最小化均方误差优化模型，其中，发射信号经过发射端基带与射频混合预编码发射出去；根据建立的最小化均方误差优化模型，确定接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解；根据得到的接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解，利用粒子群算法计算发射端的射频预编码矩阵，并迭代优化接收端的预编码合成矩阵、发射端的基带预编码矩阵及发射端的射频预编码矩阵，直到均方误差收敛，得到优化的基带与射频混合预编码。这样，通过将预编码解耦到基带与射频，能够有效降低射频链路的数目，在减少基站侧硬件成本的同时，能够有效降低功耗。附图说明图1为本专利技术实施例提供的多天线多用户大规模天线的混合预编码方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例提供的多天线多用户大规模天线的混合预编码方法的原理示意图；图3为本专利技术实施例提供的多天线多用户大规模天线的混合预编码方法相比其他预编码方法的误比特率性能比较；图4为本专利技术实施例提供的多天线多用户大规模天线的混合预编码方法相比其他预编码方法的系统可实现速率性能比较。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本专利技术针对现有的基站侧硬件成本高和功率损耗大的问题，提供一种多天线多用户大规模天线的混合预编码方法。如图1所示，本专利技术实施例提供的多天线多用户大规模天线的混合预编码方法，包括：S101，建立基于多天线多用户大规模天线系统的接收信号与基站发射信号间的最小化均方误差优化模型，其中，发射信号经过发射端基带与射频混合预编码发射出去；S102，根据建立的最小化均方误差优化模型，确定接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解；S103，根据得到的接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解，利用粒子群算法计算发射端的射频预编码矩阵，并迭代优化接收端的预编码合成矩阵、发射端的基带预编码矩阵及发射端的射频预编码矩阵，直到均方误差收敛，得到优化的基带与射频混合预编码。本专利技术实施例所述的多天线多用户大规模天线的混合预编码方法，建立基于多天线多用户大规模天线系统的接收信号与基站发射信号间的最小化均方误差优化模型，其中，发射信号经过发射端基带与射频混合预编码发射出去；根据建立的最小化均方误差优化模型，确定接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解；根据得到的接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解，利用粒子群算法计算发射端的射频预编码矩阵，并迭代优化接收端的预编码合成矩阵、发射端的基带预编码矩阵及发射端的射频预编码矩阵，直到均方误差收敛，得到优化的基带与射频混合预编码。这本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多天线多用户大规模天线的混合预编码方法，其特征在于，包括：建立基于多天线多用户大规模天线系统的接收信号与基站发射信号间的最小化均方误差优化模型，其中，发射信号经过发射端基带与射频混合预编码发射出去；根据建立的最小化均方误差优化模型，确定接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解；根据得到的接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解，利用粒子群算法计算发射端的射频预编码矩阵，并迭代优化接收端的预编码合成矩阵、发射端的基带预编码矩阵及发射端的射频预编码矩阵，直到均方误差收敛，得到优化的基带与射频混合预编码。

【技术特征摘要】
1.一种多天线多用户大规模天线的混合预编码方法，其特征在于，包括：建立基于多天线多用户大规模天线系统的接收信号与基站发射信号间的最小化均方误差优化模型，其中，发射信号经过发射端基带与射频混合预编码发射出去；根据建立的最小化均方误差优化模型，确定接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解；根据得到的接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解，利用粒子群算法计算发射端的射频预编码矩阵，并迭代优化接收端的预编码合成矩阵、发射端的基带预编码矩阵及发射端的射频预编码矩阵，直到均方误差收敛，得到优化的基带与射频混合预编码。2.根据权利要求1所述的多天线多用户大规模天线的混合预编码方法，其特征在于，建立的最小化均方误差优化模型表示为：其中，其中，MSEi表示第i个用户收发信号间的均方误差，i∈{1,2,…,K}，K表示接收端的用户数，tr(·)表示矩阵的迹运算，FB表示发射端基带预编码矩阵，FB,i表示FB的第i个列向量，FRF表示发射端射频预编码矩阵，wi表示第i个用户接收端的预编码合成矩阵，Hi表示基站与第i个用户终端间的频域信道，(·)H表示矩阵的共轭转置，I表示单位矩阵，σ2表示接收端噪声的方差。3.根据权利要求2所述的多天线多用户大规模天线的混合预编码方法，其特征在于，所述根据建立的最小化均方误差优化模型，确定接收端预编码合成矩阵闭式解和发射端基带预编码矩阵闭式解包括：对均方误差求偏导，确定所述最小化均方误差优化模型中第i个用户接收端的预编码合成矩阵闭式解；根据所述最小化均方误差优化模型构造拉格朗日函数求发射端基带预编码的偏导，确定发射端基带预编码矩阵闭式解。4.根据权利要求3所述的多天线多用户大规模天线的混合预编码方法，其特征在于，所述对均方误差求偏导，确定所述最小化均方误差优化模型中第i个用户接收端的预编码合成矩阵闭式解包括：对求wi的偏导，令导数为零，得到所述最小化均方误差优化模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈月云，夏延庆，程远洋，杜利平，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11