毫米波OFDM分布式天线系统的混合预编码方法技术方案

本发明专利技术公开了一种毫米波OFDM分布式天线系统的混合预编码方法，以最大化用户的平均速率为目标，以单个远程天线单元的最大发射功率以及移相器的恒模特性为约束条件，以模拟预编码矩阵和数字预编码向量为设计变量，建立了数学优化模型。本发明专利技术利用增广拉格朗日惩罚函数方法和块坐标下降方法来求解原始的非凸优化问题，从而提出了一种高效的双层迭代混合预编码方法，该方法可以获得接近最优全数字预编码的系统性能。

【技术实现步骤摘要】
毫米波OFDM分布式天线系统的混合预编码方法
本专利技术涉及无线通信传输
，尤其是一种毫米波OFDM分布式天线系统的混合预编码方法。
技术介绍
分布式天线系统由地理上隔开的远程天线单元组成，可以提供足够的空间自由度来便于超高速无线通信。这种分布式结构很适合毫米波频段的无线传输主要由于：(1)密集部署的低功耗远程天线单元可以缩短收发机之间的距离，从而补偿高频段下信号的传输损耗；(2)它可以提供高的鲁棒性来对抗毫米波信道中的严重的中断影响。同时，为了对抗毫米波信道的频率选择性，系统还可采用OFDM调制方式。另外，不同于传统的全数字结构，新型的混合模拟-数字结构可以平衡系统的性能与硬件复杂度。因此，本法专利技术研究基于混合模拟-数字结构的毫米波OFDM分布式天线系统具有实际意义。毫米波OFDM分布式天线系统的混合预编码设计的难点在于：每个远程天线单元由多个子载波共享的模拟预编码和子载波独立的数字预编码构成，如何在满足每个远程天线单元发送功率限制和移相器的恒模约束的条件下设计协作的混合预编码。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种毫米波OFDM分布式天线系统的混合预编码方法，尽可能使下行用户的平均和速率最大化。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种毫米波OFDM分布式天线系统的混合预编码方法，包括如下步骤：(1)假设系统采用时分双工模式，且信道在相干时间内保持不变；每个远程天线单元采用混合模拟数字结构，配置NRF个射频链路，每个射频链路通过移相器连接到每根天线；中央处理器通过回程链路与每个远程天线单元相连，且它可以获取每个用户到各个远程天线单元的每个子载波的理想的上行信道向量其中K表示系统正在服务的下行用户数目，M表示远程天线单元的数目，Nc表示OFDM调制的子载波数目，和NA表示远程天线单元的天线数目；(2)该系统以最大化用户的平均速率为目标，以移相器的恒模约束以及远程天线单元的最大发射功率为限制条件，建立以下宽带混合预编码优化问题：FR＝blkdiag{FR,1,…,FR,M}其中符号[·]i,j表示矩阵的第i行第j列的元素，符号||·||代表矩阵的Frobenius范数，符号blkdiag{·}表示块对角矩阵，符号|·|表示复数的模，是加性高斯白噪声的方差，是远程天线单元的最大发射功率，FR,m表示第m个远程天线单元的模拟预编码矩阵，第k个用户的第n个子载波的数字预编码向量表示为表示第k个用户在第m个远程天线单元的第n个子载波的数字预编码向量和第k个用户到所有远程天线单元的第n个子载波的上行信道向量为(3)通过引入辅助变量：第k个用户的第n个子载波的接收机ak[n]和第k个用户的第n个子载波的非负权重系数wk[n]，可将步骤(2)的问题转化为以下优化问题：其中是第m个远程天线单元的选择矩阵和第k个用户的第n个子载波的均方误差ek[n]可定义为(4)再次引入辅助变量{xk[n],ym,k[n]}来解耦步骤(3)的问题中的模拟预编码矩阵FR和数字预编码向量{fB,k[n]}，将步骤(3)的问题转化以下优化问题：FR＝blkdiag{FR,1,…,FR,M}其中待优化变量集合为和新的均方误差定义为(5)利用增广拉格朗日惩罚函数方法处理步骤(4)的问题中的等式约束和将步骤(4)的问题转化以下优化问题：FR＝blkdiag{FR,1,…,FR,M}(6)初始化外层迭代次数t＝0，最大外层迭代次数Tmax，外层收敛精度τout；设定初始点和初始化对偶变量初始化惩罚系数ρ(0)；最后设定迭代控制参数(7)固定对偶变量和惩罚系数ρ(t)，利用块坐标下降法求解步骤(5)的问题中的内层增广拉格日问题：FR＝blkdiag{FR,1,…,FR,M}从而得到第t+1次外层迭代计算后的解，即(8)计算当前的约束违背值判断是否达到收敛精度ξ≤τout或者是否达到最大迭代次数t＞Tmax；若上述条件成立，输出最优的模拟预编码矩阵和数字预编码向量；否则，判断ξ是否满足ξ≤η(t)；若满足，更新对偶变量：否则，更新惩罚系数ρ(t+1)＝c·ρ(t)，另外更新η(t+1)＝c·η(t)，和外层迭代次数t＝t+1，重复步骤(7)和步骤(8)。优选的，步骤(7)中的块坐标下降算法具体包括以下步骤：(71)初始化内层迭代次数l＝0，最大内层迭代次数Lmax和内层收敛精度τinn；(72)将内层的拉格朗日问题分解为以下六个优化子问题：其中为了方便表示，定义了如下变量：依次求解上述六个子问题，得到第t次外层迭代中第l次内层迭代的解，即(73)更新内层迭代次数l＝l+1，并判断是否达到最大迭代次数l＞Lmax或者满足收敛精度要求其中f(l)是步骤(7)的优化问题的目标函数值；否则重复步骤(72)和步骤(73)。本专利技术的有益效果为：本专利技术首先建立了用户平均速率最大化问题，通过引入辅助变量，得到原问题的等价优化问题，然后通过双层迭代方法求解该等价问题；本专利技术所提算法实现了逼近全数字预编码的性能。附图说明图1为本专利技术的方法流程示意图。图2为本专利技术的方法的平均迭代次数与远程天线单元的最大发射功率的关系示意图。图3为本专利技术的方法的平均约束违背值与远程天线单元的最大发射功率的关系示意图。图4为本专利技术的方法与全数字预编码方法的平均速率对比示意图。具体实施方式如图1所示，一种毫米波OFDM分布式天线系统的混合预编码方法，包括如下步骤：步骤1：假设系统采用时分双工模式，且信道在相干时间内保持不变；每个远程天线单元采用混合模拟数字结构，配置NRF个射频链路，每个射频链路通过移相器连接到每根天线；中央处理器通过回程链路与每个远程天线单元相连，且它可以获取每个用户到各个远程天线单元的每个子载波的理想的上行信道向量1≤k≤K,1≤m≤M,1≤n≤Nc，其中K表示系统正在服务的下行用户数目，M表示远程天线单元的数目，Nc表示OFDM调制的子载波数目，和NA表示远程天线单元的天线数目；步骤2：该系统以最大化用户的平均速率为目标，以移相器的恒模约束以及远程天线单元的最大发射功率为限制条件，建立以下宽带混合预编码优化问题：FR＝blkdiag{FR,1,…,FR,M}其中符号[·]i,j表示矩阵的第i行第j列的元素，符号||·||代表矩阵的Frobenius范数，符号blkdiag{·}表示块对角矩阵，符号|·本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.毫米波OFDM分布式天线系统的混合预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)假设系统采用时分双工模式，且信道在相干时间内保持不变；每个远程天线单元采用混合模拟数字结构，配置N

【技术特征摘要】
1.毫米波OFDM分布式天线系统的混合预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)假设系统采用时分双工模式，且信道在相干时间内保持不变；每个远程天线单元采用混合模拟数字结构，配置NRF个射频链路，每个射频链路通过移相器连接到每根天线；中央处理器通过回程链路与每个远程天线单元相连，且它能够获取每个用户到各个远程天线单元的每个子载波的理想的上行信道向量其中K表示系统正在服务的下行用户数目，M表示远程天线单元的数目，Nc表示OFDM调制的子载波数目，和NA表示远程天线单元的天线数目；
(2)该系统以最大化用户的平均速率为目标，以移相器的恒模约束以及远程天线单元的最大发射功率为限制条件，建立以下宽带混合预编码优化问题：






FR＝blkdiag{FR,1,…,FR,M}



其中符号[·]i,j表示矩阵的第i行第j列的元素，符号||·||代表矩阵的Frobenius范数，符号blkdiag{·}表示块对角矩阵，符号|·|表示复数的模，是加性高斯白噪声的方差，是远程天线单元的最大发射功率，FR,m表示第m个远程天线单元的模拟预编码矩阵，第k个用户的第n个子载波的数字预编码向量表示为表示第k个用户在第m个远程天线单元的第n个子载波的数字预编码向量和第k个用户到所有远程天线单元的第n个子载波的上行信道向量为
(3)通过引入辅助变量：第k个用户的第n个子载波的接收机ak[n]和第k个用户的第n个子载波的非负权重系数wk[n]，将步骤(2)的问题转化为以下优化问题：






FR＝blkdiag{FR,1,…,FR,M}



其中是第m个远程天线单元的选择矩阵和第k个用户的第n个子载波的均方误差ek[n]定义为
(4)再次引入辅助变量{xk[n],ym,k[n]}来解耦步骤(3)的问题中的模拟预编码矩阵FR和数字预编码向量{fB,k[n]}，将步骤(3)的问题转化以下优化问题：












FR＝blkdiag{FR,1,…,FR,M}



其中待优化变量集合...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东明，张余，霍一鸣，董晓岱，尤肖虎，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32