【技术实现步骤摘要】
基于波束选择的低频辅助混合预编码设计方法
本专利技术属于无线通信
，具体来说是涉及一种基于波束选择的低频辅助混合预编码设计方法。
技术介绍
为了满足不断增长的无线通信数据传输需求，毫米波以其充沛的频谱资源和更大的通信带宽成为了目前通信技术研究的主要课题。为了补偿毫米波频段的高路径损耗，研究者提出通过在基站端和用户端配置大规模天线阵列，以提供高波束增益和空间复用增益。为了提升通信系统的能量效率，基站端根据信道估计信息设计预编码方案，从而将信号更有指向性的发送给用户，减少能量损失。但是由于大规模天线阵列的部署，毫米波信道估计的复杂度大幅提升，基于低频段与毫米波频段的空间相似性，研究者提出利用低频信息恢复毫米波的空间信息，从而加快信道估计的过程。相比于全数字预编码的高成本，混合预编码能够在对幅度和相位进行控制的同时，减少硬件开销，以合理的成本实现较高性能。目前已经有对低频辅助的单用户毫米波波束选择的研究，本专利技术将其扩展，研究多用户场景下的基于波束选择的低频辅助混合预编码设计。
技术实现思路
本专利技术...
【技术保护点】
1.基于波束选择的低频辅助混合预编码设计方法，该方法用于毫米波大规模MIMO下行多用户混合预编码系统，系统中基站具有M个天线和N个射频链，服务于K个单天线用户，在混合预编码的结构中，数据流
【技术特征摘要】
1.基于波束选择的低频辅助混合预编码设计方法，该方法用于毫米波大规模MIMO下行多用户混合预编码系统，系统中基站具有M个天线和N个射频链，服务于K个单天线用户，在混合预编码的结构中，数据流首先在基带用数字预编码器进行处理，其中表示复数域，然后基站通过射频链将信号上变频到射频域，之后，通过模拟预编码器将信号映射到天线上；定义射频链数量等于用户数量，即N＝K，毫米波系统采用固定的波束切换系统，在数据传输时，假设使用DFT码本作为波束码本，基于低频段和毫米波的空间相似性，构建毫米波与低频段的异构通信网络，利用低频空间信息得到最优低频波束集，对包含在低频波束宽度内的毫米波波束进行训练，从而得到毫米波系统的最优波束集；其特征在于，所述方法包括：
S1、建立模型：
使用扩展Saleh-Valenzuela模型建模毫米波信道H，该信道模型中有C个散射簇，每个散射簇会产生RC条路径，用户u处的接收信号yu为：
其中，是用户u的毫米波信道矩阵，nu是服从均值为0，方差为1的复高斯分布的噪声向量，假设ρ是基站端发射信号的能量，且数据流s满足为求均值符号，I为单位矩阵；
定义基站端采用的模拟预编码的码本为：
其中是码本中模拟预编码向量的基数，使用均匀天线阵列，码本元素表示为：
其中为阵列响应矢量，假设模拟预编码码本的量化角度按照反正弦函数分布，则毫米波波束选择的问题相当于从码本中选择模拟预编码向量组成FRF；
定义系统的和速率为：
其中向量包含了基站端选择的波束，且γu是用户u的信号干扰加噪声比SINR，定义如下：
其中是WD的第u列，w为K个用户中的第w个用户；
毫米波波束选择的问题相当于从码本中选择模拟预编码向量组成FRF，以最大化和速率为目标，将基于波束选择的毫米波通信系统的混合预编码设计问题建模为：
其中，vu是FRF的第u列，也就是第u个RF链对应的模拟预编码向量；ξu是用户u的功率归一化因子；
S2、低频系统在基站端配有M根天线，每个用户端配有单天线，且低频系统部署数字预编码结构，可以进行全数字预编码，令低频系统的预编码码本基数设置与毫米波系统的码本基数相同，即并且用相同的量化角度生成低频系统的预编码码本：
采用基于和速率下界的波束选择方法求解步骤S1建立的模型，得到毫米波的波束选择方法，具体为：
借助Jensen不等式得到S1中将基于波束选择的毫米波通信系统的混合预编码设计问题模型的下界：
在异构通信网络中获知低频系统的信道信息后，借助低频信道信息得到基于波束选择的低频系统粗略估计，如下
但是，由于该约束是非凸的，因此通过凸优化求解后，将所有的个选择向量降序排列，选择值最大的K个元素对应的模拟预编码向量，作为低频系统的最优波束选择方案，也就是得到集合n＝{n1…nK}，相对于毫米波波束，低频波束更宽，一个低频波束中会包含一组毫米波波束，在得到了低频波束集n之后，对包含在其宽度内的毫米波波束进行训练，从而得到毫米波系统的中的最优波束。
2.基于波束选择的低频辅助混合预编码设计方法，该方法用于毫米波大规模MIMO下行多用户混合预编码系统，系统中基站具有M个天线和N个射频链，服务于K个单天线用户，在混合预编码的结构中，数据流首先在基带用数字预编码器进行处理，其中表示复数域，然后基站通过射频链将信号上变频到射频域，之后，通过模拟预编码器将信号映射到天线上；定义射频链数量等于用户数量，即N＝K，毫米波系统采用固定的波束切换系统，在数据传输时，假设使用DFT码本作为波束码本，基于低频段和毫米波的空间相似性，构建毫米波与低频段的异构通信网络，利用低频空间信息得到最优低频波束集，对包含在低频波束宽度内的毫米波波束进行训练，从而得到毫米波系统的最优波束集；其特征在于，所述方法包括：
S1、建立模型：
使用扩展Saleh-Valenzuela模型建模毫米波信道H，该信道模型中有C个散射簇，每个散射簇会产生RC条路径，用户u处的接收信号yu为：
其中，是用户u的毫米波信道矩阵，nu是服从均值为0，方差为1的复高斯分布的噪声向量，假设ρ是基站端发射信号的能量，且数据流s满足为求均值符号，I为单位矩阵；
定义基站端采用的模拟预编码的码本为：
其中是码本中模拟预编码向量的基数，使用均匀天线阵列，码本元素表示为：
其中为阵列响应矢量，假设模拟预编码码本的量化角度按照反正弦函数分布，则毫米波波束选择的问题相当于从码本中选择模拟预编码向量组成FRF；
定义系统的和速率为：
其中向量包含了基站端选择的波束，且γu是用户u的信号干扰加噪声比SINR，定义如下：
其中是WD的第u列，w为K个用户中的第w个用户；
毫米波波束选择的问题相当于从码本中选择模拟预编码向量组成FRF，以最大化和速率为目标，将基于波束选择的毫米波通信系统的混合预编码设计问题建模为：
其中，vu是FRF的第u列，也就是第u个RF链对应的模拟预编码向量；ξu是用户u的功率归一化因子；
S2、低频系统在基站端配有M根天线，每个用户端配有单天线，且低频系统部署数字预编码结构，可以进行全数字预编码，令低频系统的预编码码本基数设置与毫米波系统的码本基数相同，即并且用相同的量化角度生成低频系统的预编码码本：
采用于匈牙利算法的波束选择方法求解步骤S1建立的模型，得到毫米波的波束选择方法，具体为：
在低频系统下，首先定义一个矩阵它的每个元素都是单用户情况下的期望SNR，具体来说，它的第u行第n列的元素为
其中Sn是集合的基数。在低频段的空间功率谱中找到每个用户前B个最大增益对应的波束(n1,…,nB)，并按照上式填充矩阵其他的个元素填充为0；
接下来，继续定义一个由0和1组成的选择矩阵它的维度与保持一致，将选择的模拟预编码向量的索引存储在中，具体来说，如果索引为pn的码字被选为用户u的模拟预编码向量，那么就令反之，则有基于匈牙利算法的波束选择方法为：
为了避免波束冲突，每个码字最多只能选择一次，并且每个用户只能选择一个码字；矩阵中有很多的全0列，为了减少该算法占用的存储空间，通过压缩矩阵控制计算开销，即删去中为0的列，得到一个新的矩阵它的列数为得到矩阵中元素的最大值为：
由于匈牙利算法只能处理求和的最小化问题，而且只能处理方阵，需要将转换为方阵，将P′设置为维度为N′×N′的矩阵，得到基于匈牙利算法的波束选择方法为：
接下来通过凸优化工具得到最优P矩阵，将其转化为波束索引，从而得到低频波束选择方案noptimal＝(n1,…,nK)，并且在选择波束的同时避免了波束冲突，之后仅对这组波束包含的毫米波波束来进行波束训练，从而得到波束选择方案noptimal＝(n1,…,nK)。
3.基于波束选择的低频辅助混合预编码设计方法，该方法用于毫米波大规模MIMO下行多用户混合预编码系统，系统中基站具有M个天线和N个射频链，服务于K个单天线用户，在混合预编码的结构中，数据流首先在基带用数字预编码器进行处理，其中表示复数域，然后基站通过射频链将信号上变频到射频域，之后，通过模拟预编码器将信号映射到天线上；定义射频链数量等于用户数量，即N＝K，毫米波系统采用固定的波束切换系统，在数据传输时，假设使用DFT码本作为波束码本，基于低频段和毫米波的空间相似性，构建毫米波与低频段的异构通信网络，利用低频空间信息得到最优低频波束集，对包含在低频波束宽度内的毫米波波束进行训练，从而得到毫米波系统的最优波束集；其特征在于，所述方法包括：
S1、建立模型：
使用扩展Saleh-Valenzuela模型建模毫米波信道H，该信道模型中有C个散射簇，每个散射簇会产生RC条路径，用户u处的接收信号yu为：
其中，是用户u的毫米波信道矩阵，nu是服从均值为0，方差为1的复高斯分布的噪声向量，假设ρ是基站端发射信号的能量，且数据流s满足为求均值符号，I为单位矩阵；
定义基站端采用的模拟预编码的码本为：
其中是码本中模拟预编码向量的基数，使用均匀天线阵列，码本元素表示为：
其中为阵列响应矢量，假设模拟预编码码本的量化角度按照反正弦函数分布，则毫米波波束选择的问题相当于从码本中选择模拟预编码向量组成FRF；
定义系统的和速率为：
其中向量包含了基站端选择的波束，且γu是用户u的信号干扰加噪声比SINR，定义如下：
其中是WD的第u列，w为K个用户中的第w个用户；
毫米波波束选择的问题相当于从码本中选择模拟预编码向量组成FRF，以最大化和速率为目标，将基于波束选择的毫米波通信系统的混合预编码设计问题建模为：
其中，vu是FRF的第u列，也就是第u个...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘红，李军，张忠培，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51
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