【技术实现步骤摘要】
移相器数量可变的混合精度移相网络及预编码方法
本专利技术涉及多输入多输出MIMO(Multi-inputMulti-ouput)通信系统中的预编码结构及方法，尤其涉及混合预编码结构和混合预编码方法，属于无线通信领域。
技术介绍
毫米波(300MHz～300GHz)MIMO通信技术由于其丰富的带宽资源与较高的频谱效率被认为是第五代移动通信系统(5G)的关键技术之一。目前毫米波通信由于器件成本高、能耗大等问题尚未得到广泛的商用，预计将在下一代移动通信系统中继续发挥重要作用。为了实现6G的目标，基站需要部署大规模的天线阵列提高频谱效率与覆盖范围，同时通信网络的小区密度将进一步提高以支持海量终端接入。大规模天线阵列与高密度组网将不可避免地导致能量开销激增。为此，提高毫米波MIMO通信系统的能量效率是6G的重要挑战之一。如图1(a)所示，在传统的全数字MIMO结构中，每一根发射天线都需要配备一个专有的射频链路(包括低噪放、混频器、高速模数/数模转换器等)，对于配置成百上千根天线的毫米波MIMO通信系统来说(比如256根天线，甚...
【技术保护点】
1.移相器数量可变的混合精度移相网络，即为预编码结构，包括射频RF链路、累加器、天线、连接线，其特征在于：还包括由开关、高低精度移相器对、连接线组成的移相网络；/n利用一对高、低精度移相器代替传统的一个固定精度移相器，每一个射频链路通过该移相器对与天线相连；用两个开关控制每一个移相器对，其中一个开关与高精度移相器相连，另一个开关与低精度移相器相连，通过控制开关的使能状态控制高、低精度移相器对的使能状态和工作精度的高低，从而灵活地配置移相器的数量与精度。/n
【技术特征摘要】
1.移相器数量可变的混合精度移相网络，即为预编码结构，包括射频RF链路、累加器、天线、连接线，其特征在于：还包括由开关、高低精度移相器对、连接线组成的移相网络；
利用一对高、低精度移相器代替传统的一个固定精度移相器，每一个射频链路通过该移相器对与天线相连；用两个开关控制每一个移相器对，其中一个开关与高精度移相器相连，另一个开关与低精度移相器相连，通过控制开关的使能状态控制高、低精度移相器对的使能状态和工作精度的高低，从而灵活地配置移相器的数量与精度。
2.如权利要求1所述的移相器数量可变的混合精度移相网络，其特征在于：通过断开移相器对，进一步降低移相网络的能量开销；同时，移相网络中不同精度移相器的数目比例能够预先灵活配置，通过对应的混合预编码方法，实现在大量移相器对非使能的情况下，通信系统获得准最优的能量效率性能。
3.混合预编码方法，适用于如权利要求1或2所述的移相器数量可变的混合精度移相网络，其特征在于：通过对能量效率最大化问题的转化，建立系统能量效率与每个移相器对应的预编码矩阵元素的内在联系，将所述混合预编码过程划分为三阶段：在第一阶段，逐一确定非使能的移相器的位置，由于使能的移相器数量逐步减少，通过该阶段操作保证MIMO通信系统能量开销降低；同时，非使能的移相器应使系统频谱效率损失最低，从而保证MIMO通信系统能量效率最高；每确定一个非使能的移相器的位置，将模拟预编码矩阵中的对应元素设为0；在第二阶段，逐一确定工作在低精度状态的移相器的位置，同时利用低精度移相器对模拟预编码矩阵对应元素的相位进行量化；在第三阶段，利用高精度移相器逐一对剩余的模拟预编码矩阵元素的相位进行量化；在上述三个阶段中，每完成一次非使能或量化过程，通过基于相位补偿的欧氏距离最小化方法更新对应的准最优混合预编码矩阵，作为下一次迭代设计的输入。
4.混合预编码方法，适用于如权利要求1或2所述的移相器数量可变的混合精度移相网络，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一，通过确定对信号传输能量贡献最小的移相器的位置，确定移相器对的使能状态；
步骤二，每确定一个非使能移相器的位置，通过第一阶段混合预编码方法更新混合预编码矩阵，使能量效率最大化；
步骤三，重复步骤一和步骤二，直到处于非使能状态的移相器对数目达到根据预先配置的比例计算出的非使能移相器对数目；
步骤四，通过确定对信号传输能量贡献最小的移相器的位置，确定低精度量化的移相器对位置；
步骤五，每确定一个处于低精度工作状态的移相器对的位置，通过第二阶段混合预编码方法更新混合预编码矩阵，使能量效率最大化；
步骤六，重复步骤四和步骤五，直到处于低精度工作状态的移相器对数目达到根据预先配置的比例计算出的处于低精度工作状态移相器对数目；
步骤七，通过确定对信号传输能量贡献最小的移相器的位置，确定高精度量化的移相器对位置；
步骤八，每确定一个处于高精度工作状态的移相器对的位置，通过第三阶段混合预编码方法更新混合预编码矩阵，使能量效率最大化；
步骤九，重复步骤七和步骤八，直到处于高精度工作状态的移相器对数目达到根据预先配置的比例计算出的处于高精度工作状态移相器对数目。
5.如权利要求4所述的混合预编码方法，其特征在于：通过所述混合预编码方法在三个阶段联合优化移相器的使能状态、工作精度和混合预编码矩阵，降低能量开销的同时，保证MIMO通信系统在三个阶段均能够实现在准最优频谱效率下的能量效率提升，进而综合提升系统的能量效率。
6.如权利要求5所述的混合预编码方法，其特征在于：步骤一实现方法为，
对信号传输能量贡献最小的移相器的确定方法如下：
其中，为信道矩阵，为基带预编码矩阵，NBS为天线数目，NRF为RF链路数目,Ns为传输数据流数目，为移相器精度、使能状态指示矩阵，U(i,j)＝1high、1low或者0表示与天线索引i和RF链路索引j相连的移相器处于高精度工作状态、低精度工作状态或非使能状态，i∈SA，j∈SRF，SA＝{1,2,…,NBS}为天线位置索引集合，SRF＝{1,2,…,NRF}为RF链路索引集合；want的每一个元素表示对应的天线传输的信号能量，wRF的每一个元素表示对应RF链路传输的信号能量；对于第i＊个天线，其信号传输能量由want的第i＊个元素决定，只与每一个移相器对组的第i＊个移相器相关，每一个移相器对组的第i＊个移相器只对第i＊个天线有影响；第j＊个移相器对组的移相器只对第j＊个RF链路传输的信号能量产生影响；得到使得天线和RF链路传输信号能量同时为最小值的移相器对位置(i＊,j＊)，其中
通过定义其中，是非使能的开关以及置于低精度移相器的开关的位置集合，将对信号传输能量贡献最小的移相器位置(i＊,j＊)表示为i＊＝mod(r＊,NBS)，其中mod(·)为求模值函数；随后将控制位置(i＊,j＊)移相器对的开关转变成非使能状态，对应得到U中的0元素位置，即确定非使能移相器对的位置。
7.如权利要求6所述的混合预编码方法，其特征在于：步骤二实现方法为，每确定矩阵U中一个0元素位置，计算更新后的U与FRF的Hadamard积，采用基于相位补偿的最小二乘算法更新混合预编码矩阵FRF和FBB，使能量效率最大化；
基于相位补偿的最小二乘算法如下：对于每一次更新所得的矩阵U，设计对应的混合精度混合预编码矩阵；采用使欧氏距离最小化准则，对频谱效率最大化问题转化为混合预编码矩阵与全数字最优解Fopt的欧氏距离最小化问题，其中，V是信道矩阵H的右奇异值矩阵；数字预编码矩阵通过凸优化方法解得，因此能够得到对于FRF的确定，进一步将问题分解到元素级，即其中，是FRF除去第j列的所有列组成的矩阵，是FBB除去第j行的所有行组成的矩阵，代表FRF的第j列，代表FBB的第j行；对于F的每一行进行展开，能够将欧氏距离最小化问题可转化为分解为NBS个二范数最小化问题；引入相位补偿因子ejξ，通过最小二乘法，求得最佳相位ξ∈[-π,π]，对进行相位补偿；因此，上述子问题目标函数能够转化为通过最小二乘法，解...
【专利技术属性】
技术研发人员：申文倩，冯程昊，卜祥元，安建平，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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