一种在毫米波MIMO系统中基于分层设计的迭代混合预编码方法技术方案

本发明专利技术公开了一种在毫米波MIMO系统中基于分层设计的迭代混合预编码方法。所述的毫米波混合预编码方法包括：步骤a:建立毫米波系统的混合预编码问题模型；步骤b:引入分层设计的思想，对数模混合预编码进行设计；步骤c:假设已知最优模拟预编码，设计数字预编码以进一步提高系统的频谱效率；步骤d:提出迭代求解的设计策略，并推导出模拟预编码的最优解闭式解；步骤e:输出最优的数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵。在毫米波MIMO系统中，本发明专利技术提出了一种基于分层设计的迭代混合预编码方法，以实现可以接近无约束数字预编码的系统性能。

An Iterative Hybrid Precoding Method Based on Hierarchical Design in Millimeter Wave MIMO System

【技术实现步骤摘要】
一种在毫米波MIMO系统中基于分层设计的迭代混合预编码方法
本专利技术涉及无线通信领域，尤其涉及在毫米波MIMO中基于分层设计的迭代混合预编码方法。
技术介绍
随着移动智能终端的不断进步和移动互联网的飞速发展，人们对无线网络容量的需求与日俱增。为了满足人们对移动互联网及其业务环境的需求，下一代移动通信技术(5G)将致力于构架一个无处不在，万物互联的全方位信息生态系统，并以智能化的方式促进社会经济体的转型，提高国家的生产力及可持续发展性。相比于上一代移动通信系统(4G)，5G需要适用于更多场景，并且给用户提供更为极致的体验。2017年11月10日，我国在国际上率先发布5G系统在3000-5000MHz的中频段内频率使用规划，同时指出5G系统也需要在高频段(24GHz以上毫米波频段)和低频段(3000MHz以下频段)工作，以满足用户对高性能的追求。在这样的背景下，具有丰富频谱资源的毫米波频段逐渐成为了业界人们关注的焦点。然而，严重的路径损耗成为毫米波通信研究中亟待解决的问题。好在毫米波波长较短，相应的天线单元可以在较小的空间内密集排列，从而组成大规模天线阵列，因此可以利用大规模天线形成的波束增益来对抗毫米波频段严重的路径损耗，同时也可利用基于大规模天线的预编码技术来提高系统的频谱效率。在传统的MIMO系统中，全数字预编码是在基带部分由数字编码器完成的，经过编码的数据流会通过射频链转换成射频模拟信号并由天线进行发射。在这种结构下，需要为每根天线都配备一条射频链，系统才能够正常工作。当天线数目较少时，这种结构能够有效地利用数字预编码来获得波束赋形增益。但是，在毫米波通信系统中，天线数量大幅增加，如果依旧采用数字预编码的处理方式，所需的射频链数量也会明显增加，从而导致系统的能量消耗和硬件成本过高。因此，在毫米波系统中提出了混合预编码结构，用以解决上述问题。在此方案中，混合预编码可以利用较少的射频链将经由数字预编码处理的信号转换成模拟信号并传输给模拟编码器进行进一步处理，以形成可传输的基带发射信号，从而完成混合预编码的过程。对现有混合预编码研究成果检索发现，诸多相关文献均指出混合预编码是毫米波通信的关键技术之一。事实上，混合预编码问题的关键在于解决模拟预编码矩阵非凸的优化问题。因此，混合预编码需要重点研究的是在恒模约束下，如何设计模拟预编码矩阵的问题。OmarElAyach等在2014年IEEETransactiononWirelessCommunications上发表的SpatiallysparseprecodinginmillimeterwaveMIMOsystems率先将混合预编码的问题等效为欧氏距离最小优化问题，提出了基于阵列响应向量的正交匹配追踪算法，使之简化了带有恒模约束的混合预编码设计方案。虽然该算法可以获得较好的系统性能，但由于算法中的求逆运算，使得实现复杂度比较高。Wei-LunHung，HusseinSeleem，J.Chen等人进一步研究了基于码本的低复杂度混合预编码算法，在这些算法中，模拟部分的设计是根据预先设定的码本完成的，如阵列响应码本，DFT码本等。除了基于码本的算法外，启发式混合预编码算法也是研究的重要方向之一。XianghaoYu等在2016年的IEEEJournalofSelectedTopicsinSignalProcessing上发表的AlternatingminimizationalgorithmsforhybridprecodinginmillimeterwaveMIMOsystems中根据模拟预编码问题中的恒模约束定义了相应的黎曼流形，提出了基于共轭梯度法的混合预编码算法，然而其搜索过程仍导致了较高的复杂度。第二种部分连接结构，即每个射频链只与部分天线相连接。XinyuGao等在2016年IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications发表Energy-EfficientHybridAnalogandDigitalPrecodingforMmWaveMIMOSystemsWithLargeAntennaArrays根据多用户信号检测技术的思想，提出了基于连续干扰抵消的混合预编码算法。该算法中假设数字预编码矩阵为对角矩阵且只提供功率分配，因此会导致一定的系统性能损失。
技术实现思路
鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于分层设计的迭代混合预编码方法，旨在解决在毫米波MIMO系统中，利用混合预编码技术提高系统频谱效率的问题。为解决上述问题，本专利技术提供了如下技术方案：一种在毫米波MIMO系统中基于分层设计的迭代混合预编码方法，包括以下步骤：步骤一.建立毫米波系统的混合预编码问题模型；步骤二.引入分层设计的思想，对数模混合预编码进行设计；步骤三.假设已知最优的模拟预编码，设计数字预编码以进一步提高系统的频谱效率；步骤四.提出迭代求解的设计策略，并推导出模拟预编码的近似最优解闭式解；步骤五.输出最优的数字预编码和模拟预编码矩阵。本专利技术实施例采用的技术方案还包括：在所述的步骤一中的混合预编码模型为：上述公式中，FRF分别表示模拟预编码。FBB表示数字预编码。因为模拟预编码是通过移相器实现的，因此必须满足恒模的约束，即|FRF(i,j)|＝1。此外，表示发射端的功率约束，Ns为数据流数。本专利技术实施例采用的技术方案还包括：所述的步骤二中，引入分层设计的思想，设计毫米波混合预编码。具体来说，首先假设已知模拟预编码，设计数字预编码。其次，基于已求得的数字预编码，设计模拟预编码矩阵。本专利技术实施例采用的技术方案还包括：所述的步骤三中，假设已知模拟预编码，设计数字预编码以提高系统的频谱效率。为了进一步简化混合预编码的设计，并在功率约束下解耦数字和模拟预编码，我们假设其中虚拟变量，则数字预编码的设计可表示为：式中，被定义为一个等效信道矩阵。由于上式仅有一个变量，我们可以利用注水算法求得虚拟变量其中，Ve表示等效信道矩阵的右奇异矩阵的前Ns列。Pe表示对角矩阵，其对角元素是为每条数据流所分配的功率。因此，数字预编码矩阵可表示为：本专利技术实施例采用的技术方案还包括：所述步骤四中，提出迭代求解的设计策略，并推导出模拟预编码的近似最优解闭式解。根据已有文献中的结论，当天线数趋于无穷大时，模拟预编码器满足因此，在射频链的数量等于数据流数的情况下，最优的数字预编码矩阵满足相应的模拟预编码设计可表示为：上式中由于FRF的列排列不会改变的结果，因此可以将重写为式中，(FRF)-j为FRF除去第j列fj后的子矩阵。因此，模拟预编码的设计可进一步化简为：式中，我们定义为辅助矩阵。如果选取合适的初始矩阵FRF并且假设(FRF)-j是固定的，我们可以将模拟预编码优化问题分解为一系列子问题，且第j个子问题可表示为：上式可进一步化简为：我们定义一个中间矩阵上式的主函数可简化为式中fj(-i)表示除去fj的第i个元素fj(i)的的向量。Mj(-i,-i)表示除去矩阵Mj第i行第i列元素的子矩阵。根据上式，对于fj(i)的设计可表示为：因此，关于fj(i)的最优闭式解可表示为：式中，对于任意的复变量x，有因此，基于fj(i)的最优解，我们利用迭代的方法可求得最优的模拟预编码本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.在毫米波MIMO系统中，一种基于分层设计的迭代混合预编码方法，其特征在于包括以下步骤:步骤一.建立毫米波MIMO系统的混合预编码问题模型；步骤二.引入分层设计的思想，对数模混合预编码进行设计；步骤三.假设已知最优的模拟预编码，设计数字预编码以进一步提高系统的频谱效率；步骤四.提出迭代求解的设计策略，并推导出模拟预编码的近似最优解闭式解；步骤五.输出最优的数字预编码和模拟预编码矩阵。

【技术特征摘要】
1.在毫米波MIMO系统中，一种基于分层设计的迭代混合预编码方法，其特征在于包括以下步骤:步骤一.建立毫米波MIMO系统的混合预编码问题模型；步骤二.引入分层设计的思想，对数模混合预编码进行设计；步骤三.假设已知最优的模拟预编码，设计数字预编码以进一步提高系统的频谱效率；步骤四.提出迭代求解的设计策略，并推导出模拟预编码的近似最优解闭式解；步骤五.输出最优的数字预编码和模拟预编码矩阵。2.根据权利要求1所述的毫米波系统的混合预编码方法，其特征在于，所述的步骤一中的混合预编码模型为：上述公式中，FRF分别表示模拟预编码。FBB表示数字预编码。因为模拟预编码是通过移相器实现的，因此必须满足恒模的约束，即|FRF(i,j)|＝1。此外，表示发射端的功率约束，Ns为数据流数。3.根据权利要求2所述的毫米波混合预编码方法，其特征在于，所述的步骤二中，引入分层设计的思想，设计毫米波混合预编码。具体来说，首先假设模拟预编码已知，设计数字预编码矩阵。其次，基于已知的数字预编码，设计模拟预编码矩阵。4.根据权利要求3所述的毫米波混合预编码方法，其特征在于，所述的步骤三中，假设已知模拟预编码，设计数字预编码以提高系统的频谱效率。为了进一步简化混合预编码的设计，并在功率约束下解耦数字和模拟预编码，我们假设其中虚拟变量，则数字预编码的设计可表示为：式中，被定义为一个等效信道矩阵。由于上式仅有一个变量，我们可以利用注水算法求得虚拟变量...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹卫霞，张然，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11