面向宽带毫米波通信系统半动态子阵混合结构的设计方法技术方案

本发明专利技术提供了一种面向宽带毫米波通信系统半动态子阵混合结构的设计方法。包括：提出依据信道统计信息对射频链路分配子阵的半动态子阵(PDS)结构，与现存的全动态子阵(FDS)结构相比，PDS结构可以大大降低5G基站密集部署开销；利用恒模约束对子阵设计问题进行简化，并提出基于交替最小化的子阵设计(AMD)算法进行子阵分配；提出基于块坐标下降的优化(HP)算法对宽带毫米波多输入多输出(MIMO)系统的混合预编码矩阵进行有效设计以最大化系统频效。本发明专利技术面向宽带毫米波MIMO系统，在FDS结构基础上，提出硬件成本更小的PDS结构，并针对PDS结构，提出了依据信道统计信息设计子阵结构的AMD算法和依据信道瞬时信息设计系统混合预编码矩阵的HP算法。

【技术实现步骤摘要】
面向宽带毫米波通信系统半动态子阵混合结构的设计方法
本专利技术属于无线通信
，涉及在宽带毫米波多输入多输出MIMO领域提出的一种新的半动态子阵混合结构以及对应的子阵分配、混合预编码优化算法。
技术介绍
无线频谱紧缩推动了毫米波和大规模多输入多输出MIMO技术在下一代蜂窝系统中的集成。毫米波信号在30-300GHz波段工作，因此其可以提供比当前蜂窝系统更宽的带宽。毫米波波段无线电信号的波长为收发器上配备大量的天线提供了可能性，从而可以获得高频谱效率。此外，大规模MIMO可以通过多路复用同时为一组用户服务，并通过收发端预编码技术提供的阵列增益来克服毫米波信道严重的路径损耗。然而，在毫米波和大规模MIMO系统应用传统的全数字FD预编码技术是不切实际的。因为在这种结构中，每个天线都需要一个专用的射频RF链，导致其高成本和高功耗。为了克服FD结构缺点，学者们提出并开始广泛研究混合结构。混合结构的目标是在频效、硬件成本和功耗之间进行权衡。此外，混合结构通过将预编码过程分为模拟预编码和数字预编码两个部分来减少RF链的数量。如图1所示，现有的混合结构方案可分为两类：全连接混合结构和子阵连接混合结构。在全连接混合结构中，每个RF链通过移相器连接到所有天线，如图1(a)所示。具体来说，如果RF链的数目是Nrf，发射天线的数目是Nt，那么移相器的数目是NrfNt。在子阵连接混合结构中，每个子阵只与一个RF链相连接。因此，移相器的数目等于发射天线的数目，即Nt。子阵连接混合结构可以分为两种类型：固定子阵和全动态子阵，如图1(b)和图1(c)所示。在固定子阵中，与每个RF链连接的天线是固定的，不随着信道的变化而变化。与固定子阵结构不同，全动态子阵FDS结构根据信道波动动态更新天线分配来提高系统传输性能。此外，FDS结构用开关进行天线选择，其开关数等于发射天线的数目，即Nt。近年来，全连接混合结构得到了深入的研究。基于毫米波信道的稀疏性，[1]提出了低复杂度混合预编码算法，利用改进的正交匹配追踪OMP最大限度地提高毫米波MIMO系统的频效。此外，交替最小化算法也用来最小化FD和混合预编码矩阵之差的Frobenius范数[2]。与上述使用启发式方法不同，混合预编码问题可以通过利用罚对偶分解算法直接求解并得到KKT(Karush-Kuhn-Tucker)解。然而，在全连接混合结构中，移相器的数目随天线数目的增加而线性增加，导致过高的硬件成本和功耗。与全连接混合结构相比，子阵连接混合结构中的移相器数量显著减少。因此，子阵连接混合结构被认为是大规模MIMO无线通信系统的一种很有前景的候选混合结构。[4]针对毫米波MIMO无线通信系统的子阵连接混合结构，提出了一种基于连续干扰消除的混合预编码方法。此外，针对基于多子阵混合结构的毫米波系统，[5]提出了一种有效的混合预编码算法。虽然目前大多数的研究只考虑针对发射机端为固定子阵混合结构的窄带毫米波通信，但是[6]考虑了基于正交频分复用(OFDM)的宽带毫米波MIMO无线通信系统中的子阵列连接结构混合预编码技术。此外，为了提高系统频效，[6]还提出了FDS混合结构，并提出了动态分配天线分的算法，但该算法属于贪婪算法的一种。因此，[7]提出了一种利用模拟预编码矩阵的动态子阵列分配(DSD)算法来解决这一问题。然而，由于存在高维复矩阵的计算，DSD算法的计算复杂度较高。虽然在现有的研究工作中已经考虑使用FDS混合结构来提高系统的频谱效率，但是该结构在硬件上较难实现。这是由于在FDS混合结构中，开关的数量随发射天线的数量线性增加，从而导致较高的硬件成本、插入损耗和计算复杂度。因此，本专利技术提出了一种更实用的半动态子阵连接(PDS)混合结构。在该结构中，每个子阵列中的天线集是固定的，但连接到每个RF链的子阵列是动态变化的。本专利技术依据信道的统计信息，通过开关动态调整每个RF链的子阵列分配，提高了通信系统的传输性能。PDS混合结构中使用的开关数量与子阵列数量相同，且明显小于FDS混合结构中的开关数量。因此，本专利技术所提出的PDS结构在硬件实现方面更具潜力。此外，目前大多数关于毫米波信道中混合预编码的研究工作只考虑窄带通信场景。然而，实际的毫米波系统通常在具有频率选择性的宽带毫米波场景中工作，且在该通信场景中通常需要考虑光束斜射。因此，有必要考虑宽带毫米波MIMO系统中光束斜视的影响，针对PDS混合结构提出一种有效的混合预编码算法。[1]O.E.Ayach，S.Rajagopal，S.Abu-Surra，Z.Pi，andR.W.Heath，“SpatiallysparseprecodinginmillimeterwaveMIMOsystems，”IEEETrans.WirelessCommun.，vol.13，no.3，pp.1499-1513，Mar.2014.[2]X.Yu，J.Shen，J.Zhang，andK.B.Letaief，“AlternatingminimizationalgorithmsforhybridprecodinginmillimeterwaveMIMOsystems，”IEEEJ.Sel.TopicsSignalProcess.，vol.10，no.3，pp.485-500，Apr.2016.[3]Q.ShiandM.Hong，“SpectralefficiencyoptimizationformillimeterwavemultiuserMIMOsystems，”IEEEJ.Sel.TopicsSignalProcess.，vol.12，no.3，pp.455-468，June2018.[4]X.Gao，L.Dai，S.Han，C.I，andR.W.Heath，“Energy-efficienthybridanaloganddigitalprecodingformmWaveMIMOsystemswithlargeantennaarrays，”IEEEJ.Sel.AreasCommun.，vol.34，no.4，pp.998-1009，Apr.2016.[5]J.Zhang，Y.Huang，T.Yu，J.Wang，andM.Xiao，“Hybridprecodingformulti-subarraymillimeter-wavecommunicationsystems，”IEEEWirelessCommun.Lett.，vol.7，no.3，pp.440-443，June2018.[6]S.Park，A.Alkhateeb，andR.W.Heath，“DynamicsubarraysforhybridprecodinginwidebandmmWaveMIMOsystems，”IEEETrans.WirelessCommun.，vol.16，n0.5，pp.2907-2920，May2017.[7]J.Jin，C.Xiao，W.Chen，andY.Wu，“Channel-statistics-basedhybridprecodingf本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向宽带毫米波通信系统半动态子阵混合结构的设计方法，其特征在于该设计方法包括以下步骤：/n步骤1：提出半动态子阵PDS混合结构，针对宽带毫米波多输入多输出MIMO通信场景建立系统模型和信道模型，并提出使系统频效最大化的优化目标，建立优化问题；/n步骤2：对步骤1中的优化问题进行分析，并提出依据信道统计信息动态分配子阵的交替最小化AMD算法，获得子阵分配矩阵；/n步骤3：在步骤2中获得子阵分配矩阵的基础上，进一步提出依据信道瞬时信息的混合预编码算法，并考虑波束斜射的影响，在数字域对混合预编码矩阵进行补偿。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向宽带毫米波通信系统半动态子阵混合结构的设计方法，其特征在于该设计方法包括以下步骤：
步骤1：提出半动态子阵PDS混合结构，针对宽带毫米波多输入多输出MIMO通信场景建立系统模型和信道模型，并提出使系统频效最大化的优化目标，建立优化问题；
步骤2：对步骤1中的优化问题进行分析，并提出依据信道统计信息动态分配子阵的交替最小化AMD算法，获得子阵分配矩阵；
步骤3：在步骤2中获得子阵分配矩阵的基础上，进一步提出依据信道瞬时信息的混合预编码算法，并考虑波束斜射的影响，在数字域对混合预编码矩阵进行补偿。


2.根据权利要求1所述的一种面向宽带毫米波MIMO通信系统的半动态子阵混合结构，其特征在于：步骤1中所述的建立系统模型和信道模型具体包括如下步骤：
步骤1.1：建立针对半动态子阵PDS混合结构的宽带毫米波MIMO系统模型：
考虑一个点对点的宽带毫米波MIMO，采用宽带正交频分复用OFDM的调制方式，总子载波个数为K；设第k个子载波上的发送符号向量为sk，满足Ns为数据流的个数，E[.]期望运算；第k个子载波上数字预编码矩阵为射频RF链的个数为Nrf；记总天线个数为Nt，Nt个天线分为M个子阵，每个子阵Na＝Nt/M天线；记第j个RF链连接的子阵集合为Sj，由于M个子阵划分为Nrf个子集，则



其中，∪表示集合的并集，另外，由于每个子阵只能连一个RF链，即第i个RF链连接的子阵集合Si与第j个RF链连接的子阵集合无交集，则



其中，∩表示集合的交集，每个RF链可以选择至少一个子阵，则



其中表示空集，通过移相器实现的模拟预编码矩阵为由于移相器只改变信号的相位，不改变信号的幅度，所以模拟预编码矩阵存在如下恒模约束



其中vij表示第i个子阵连接到第j个RF链上的模拟预编码矩阵，|·|表示向量的模值，是指示函数定义为



其中，1表示所有元素均为1的矩阵；0表示所有元素均为0的矩阵，
因此发射端发送符号表达为
xk＝VFksk，k∈{1，2，…，K}(6)
另外，存发射功率约束



其中Ptot表示总的发射功率，||·||F为矩阵的F范数；
步骤1.2：建立毫米波MIMO信道模型：
几何信道模型共有L个波束簇，第l(1≤l≤L)个族内有Rl个散射径，在这个模型下，第d个时延的信道矩阵为



其中φR，l和φT，l分别表示表示时延、到达角、离开角，参数表示复路径增益、相对时延、第l个簇中的第rl个散射径的相对到达角和离开角，p(τ)表示周期为Ts的脉冲成型函数在τ处的值，另外，aR(·)和aT(·)表示发送和接收阵列响应向量，表示为



其中，N为对应的天线数，λ为载波波长，d′为天线之间的距离；基于上述信道模型，当不考虑波束斜射的影响，第k个子载波上的信道矩阵为



其中定义为



其中，D为导频长度；
考虑波束斜射的影响，第k个子载波上的信道矩阵为



其中



其中fc表示中心频率，c表示光速，这里B表示带宽；
步骤1.3：提出使系统频效最大化的优化目标，建立优化问题
毫米波MIMO系统的和速率表达式为



其中，det(·)为求矩阵的行列式，I为单位阵，为了最大化系统的和速率，进行动态子阵结构和预编码矩阵的联合设计，σ2为噪声方差；
由于信道变化较快，利用统计信道信息进行动态子阵结构的设计，存在如下子阵分配问题



s.t.是受约束于后面的条件；
另外，利用瞬时信道信息进行预编码的设计，存在混合预编码问题



其中，det(·)为求矩阵的行列式，因此，系统合速率最大的优化问题可以拆分为以上两个子问题进行求解。


3.根据权利要求2所述的一种面向宽带毫米波MIMO通信系统的半动态子阵混合结构，其特征在于：所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：对优化问题分析转化：
对于第一个子问题，注意到{Sj}表示模拟预编码矩阵V非零项的位置，因此问题可以转化为

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊波，杨凡，张华，常传文，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32