基于部分连接的大规模多输入多输出混合波束赋形算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于部分连接的大规模多输入多输出混合波束赋形算法，给定部分连接架构系统的最优无约束预编码器、初始模拟预编码矩阵和收敛公差，并根据无约束预编码器和初始模拟预编码矩阵计算出初始数字预编码矩阵，进而计算出初始误差；当初始误差小于或等于收敛公差时，将初始模拟预编码矩阵和初始数字预编码矩阵作为部分连接架构系统的最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵；当初始误差大于收敛公差时，以最小化误差为目标进行迭代计算后最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵；部分连接架构系统根据最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵生成并发出混合波束；本发明专利技术提高了算法的性能，使其接近全数字波束赋形系统的性能。

Large-scale MIMO hybrid beamforming algorithm based on partial connection

【技术实现步骤摘要】
基于部分连接的大规模多输入多输出混合波束赋形算法
本专利技术属于通信
，尤其涉及一种基于部分连接的大规模多输入多输出混合波束赋形算法。
技术介绍
MassiveMIMO技术能明显提升5G无线通信系统的性能和容量。MassiveMIMO系统的收发天线数目很大，在系统中使用数字波束赋形技术，会导致系统实现成本和能耗很高，为MassiveMIMO波束赋形技术的应用带来了阻碍。为了克服这个问题，出现了MassiveMIMO混合波束赋形方案(即部分连接架构)，相比于数字波束赋形技术，使用混合波束赋形技术会减少系统实现成本和能耗，即在部分连接架构中，每一个射频链只与部分天线相连接，虽然系统牺牲了部分波束赋形的增益，但是大大降低了硬件的实现复杂度，但是，在部分连接架构中，基于编码器设计的一些算法，性能损失比较严重。如图1所示，是部分连接结构下MassiveMIMO系统下行链路通信传输模型。在这个系统中，发射端配备Nt根天线，接收端配备单根天线，从发射端发送Ns条数据流到接收端。为了实现多数据流传输，发射端配备条射频链，每条射频链上连接Lt根天线，接收端配备单条射频链。假设阵列天线模型是ULA，天线的间距为波长的一半。定义维度矢量fi，并且维度矢量fi中每个元素满足那么发射端整个的模拟预编码矩阵为为了简化下面的描述，定义索引集Ω1，由FRF零元素的位置组成，则当(i,j)∈Ω1时，其中，i和j分别表示模拟预编码矩阵的行数和列数，表示模拟预编码矩阵中第i行第j列的元素，在发射端结构中，数字预编码矩阵FBB的维度为发射端的总功率约束通过归一化FBB实现，满足||FRFFBB||＝Ns。考虑一个窄带块平坦衰落信道，其接收信号可以表示为y＝HFRFFBBs+n，y是维度为Nr×1的接收矢量，H是维度为Nr×Nt的信道矩阵，Nr表示接收端的天线数量，s是发送符号矢量，满足数学期表示维度为Ns×Ns的单位向量，n是噪声矢量，服从独立同分布的高斯分布，其均值为0，方差为σ2。在上述的部分连接架构中，由于模拟域预编码矩阵是恒模的，所以优化问题是非凸的，因此，求解发射端的优化问题非常复杂，需要消耗大量的时间才能解出优化问题的全局最优的预编码矩阵，这就导致增大了现有的部分连接架构系统的能量损耗，且大大提高网络延迟。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于部分连接的大规模多输入多输出混合波束赋形算法，在成本和能耗控制的前提下，提高算法的性能，使其接近全数字波束赋形系统的性能，降低了部分连接架构系统的能量损耗。本专利技术采用以下技术方案：一种基于部分连接的大规模多输入多输出混合波束赋形算法，包括以下步骤：给定部分连接架构系统的最优无约束预编码器、初始模拟预编码矩阵和收敛公差，并根据无约束预编码器和初始模拟预编码矩阵计算出初始数字预编码矩阵，进而计算出初始误差；当初始误差小于或等于收敛公差时，将初始模拟预编码矩阵和初始数字预编码矩阵作为部分连接架构系统的最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵；当初始误差大于收敛公差时，以最小化误差为目标进行迭代计算，直至误差小于或等于收敛公差，或者完成最大迭代次数，将对应的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵作为最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵；部分连接架构系统根据最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵生成并发出混合波束。进一步的，最优无约束预编码器通过以下步骤得出：根据部分连接架构系统的信道状态信息，得出信道矩阵其中，Nc表示群簇数目，Np表示每一簇内的路径数，αil表示第i簇反射体内第l条传输路径的增益因子，服从均值为0、方差为1的复高斯分布，对于第(i,l)条子径，θr,il和分别表示离开角的方位角和俯仰角，θt,il和分别表示到达角的方位角和俯仰角，和分别表示方位角θr,il和俯仰角θt,il和对应的接收阵列响应和发射阵列响应；通过H＝UΣVH对信道矩阵H进行奇异值分解，得到单位矩阵V，从单位矩阵V中提出其前Ns列得到矩阵V1；通过计算出对角矩阵Γ，并通过F*＝V1Γ得出最优无约束预编码器F*；其中，U是单位矩阵，Σ为对角矩阵。进一步的，通过得出初始数字预编码矩阵并通过得出初始误差ε0。进一步的，迭代计算的具体过程为：设定目标函数转化||F*-FRFFBB||F可得其中，Tn为F*中的第n个矩阵块，fn表示组成FRF中的第n个矩阵块，表示FBB的第n行矢量；则对目标函数进行优化为其中，tn,m表示的第m列，表示的第m个元素，为第k次迭代得到的FRF中的第n个矩阵块，为表示的第m个元素相位的增量，为第k次迭代后FBB的第n行矢量；表示相位增量的平均值；通过对该目标函数优化后得出模拟预编码矩阵并进一步得出数字预编码矩阵和误差εk；将误差εk和收敛公差进行比较，当时，将对应的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵作为最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵；当时，重复进行上述步骤，直至误差小于或等于收敛公差，或者完成最大迭代次数，将对应的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵作为最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵。本专利技术的有益效果是：本专利技术基于MassiveMIMO混合波束赋形系统，以提升频谱效率为目标，采用一种基于矩阵分解的交替优化算法来设计混合预编码矩阵，对信道矩阵进行奇异值分解，设计最优无约束数字预编码器和合成器，通过交替优化，设计最终预编码器，在尽量控制成本和能耗前提下，提高了算法的性能，使其接近全数字波束赋形系统的性能，解决性能损失的问题，并对算法的性能进行了有效验证。【附图说明】图1为现有技术中部分连接结构下MassiveMIMO系统下行链路通信传输模型图；图2为本专利技术的算法流程图；图3为本专利技术的验证实施例中多种算法的频谱效率比较图；图4为本专利技术的验证实施例中不同数据流目对算法频谱效率的影响图。【具体实施方式】下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术中公开了一种基于部分连接的大规模多输入多输出混合波束赋形算法，获取基站到所有用户终端之间的信道状态信息其中，Hk表示基站到用户k间的信息衰落，K为小区总用户数。基于奇异值分解设计基站端的最优数字预编码矩阵和合成器矩阵，通过交替优化，设计数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵。信息数据传输开始，发送信号首先经过一个数字预编码器FBB，然后经过个射频链路，再经过个模拟预编码器，之后Lt根天线同时将信号送到无线信道。在接收端，一个模拟预编码器接收信道中的信号，经过一个射频链，再经过一个数字预编码器WBB接收信号。如图2所示，本专利技术的方法具体为：给定部分连接架构系统的最优无约束预编码器、初始模拟预编码矩阵和收敛公差，并根据无约束预编码器和初始模拟预编码矩阵计算出初始数字预编码矩阵，进而计算出初始误差。最优无约束预编码器通过以下步骤得出：根据部分连接架构系统的信道状态信息，得出信道矩阵其中，Nc表示群簇数目，Np表示每一簇内的路径数，αil表示第i簇反射体内第l条传输路径的增益因子，服从均值为0、方差为1的复高斯分布，对于第(i,l)条子径，θr,il和分别表示离开角的方位角和俯仰角，θt,il和分别表示到达角的方位角和俯仰角，和分别表示方位角θr,il和俯仰角θt,il和对应的接收阵列响应和发射阵列响应；通过H＝UΣVH对信道矩阵H进行奇异值分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于部分连接的大规模多输入多输出混合波束赋形算法，其特征在于，包括以下步骤：给定部分连接架构系统的最优无约束预编码器、初始模拟预编码矩阵和收敛公差，并根据所述无约束预编码器和初始模拟预编码矩阵计算出初始数字预编码矩阵，进而计算出初始误差；当所述初始误差小于或等于所述收敛公差时，将所述初始模拟预编码矩阵和初始数字预编码矩阵作为所述部分连接架构系统的最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵；当所述初始误差大于所述收敛公差时，以最小化误差为目标进行迭代计算，直至误差小于或等于所述收敛公差，或者完成最大迭代次数，将对应的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵作为最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵；所述部分连接架构系统根据所述最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵生成并发出混合波束。

【技术特征摘要】
1.一种基于部分连接的大规模多输入多输出混合波束赋形算法，其特征在于，包括以下步骤：给定部分连接架构系统的最优无约束预编码器、初始模拟预编码矩阵和收敛公差，并根据所述无约束预编码器和初始模拟预编码矩阵计算出初始数字预编码矩阵，进而计算出初始误差；当所述初始误差小于或等于所述收敛公差时，将所述初始模拟预编码矩阵和初始数字预编码矩阵作为所述部分连接架构系统的最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵；当所述初始误差大于所述收敛公差时，以最小化误差为目标进行迭代计算，直至误差小于或等于所述收敛公差，或者完成最大迭代次数，将对应的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵作为最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵；所述部分连接架构系统根据所述最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵生成并发出混合波束。2.如权利要求1所述的一种基于部分连接的大规模多输入多输出混合波束赋形算法，其特征在于，所述最优无约束预编码器通过以下步骤得出：根据所述部分连接架构系统的信道状态信息，得出信道矩阵其中，Nc表示群簇数目，Np表示每一簇内的路径数，αil表示第i簇反射体内第l条传输路径的增益因子，服从均值为0、方差为1的复高斯分布，对于第(i,l)条子径，θr,il和分别表示离开角的方位角和俯仰角，θt,il和分别表示到达角的方位角和俯仰角，和分别表示方位角θr,il和俯仰角θt,il和对应的接收阵列响应...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞立华，吴文捷，赵恒，牛晓娟，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61