一种基于贪心算法的波束赋形方法技术

本发明专利技术涉及一种基于贪心算法的波束赋形方法，包括：1.上行用户系统模型、2.基于上行用户模型给出基于贪心思想的混合波束赋形算法，本发明专利技术基于贪心思想的多用户混合波束赋形技术仅通过少量迭代便可得到完整的模拟波束赋形矩阵，计算简单，实现复杂度低，同时能够更充分地利用系统提供的射频链路，提高了用户的频谱效率。此外，在优化模拟波束赋形矩阵的过程中，该贪心算法通过求解残差矩阵的最大特征向量实现，因此该算法不受限于固定的原子集，也不需要知道每条独立信道的增益、角度信息，且不依赖于天线阵列结构。

【技术实现步骤摘要】
一种基于贪心算法的波束赋形方法
本专利技术涉及一种基于贪心算法的波束赋形方法，尤其涉及一种基于贪心算法的波束赋形方法。
技术介绍
毫米波通信是第五代移动通信技术(5G)的关键技术之一，引起了广泛的研究与关注。由于毫米波频段具有高路径损耗、低穿透能力等特性，毫米波通信需要结合大规模多输入多输出(MIMO)技术，利用大规模天线阵列，通过波束赋形技术得到强增益，以抵抗高的路径损耗和信号衰减。传统的波束赋形算法，存在着计算过程繁琐复杂，且算法受独立信道的增益、角度信息以及天线阵列结构所限制，实现复杂度较高的问题。
技术实现思路
本专利技术目的是为了克服现有技术的不足而提供一种计算简单，实现复杂度低，同时能够更充分地利用系统提供的射频链路，提高了用户的频谱效率，不需受独立信道的增益、角度信息及天线阵列结构所影响的基于深度学习的毫米波天线阵列波束赋形方法。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于贪心算法的波束赋形方法，包括以下内容：(1)上行多用户系统模型，如图一所示上行链路多用户毫米波混合波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于贪心算法的波束赋形方法，包括以下内容：/n(1)上行多用户系统模型，如图一所示上行链路多用户毫米波混合波束赋形系统模型。/n基站端配有N根天线，M个RF链路，同时与K个单天线用户进行通信，其中K≤M，基带数字波束赋形矩阵记为W，幅度和相位均可变；模拟波束赋形矩阵记为F，只有相位可变，幅度恒定。考虑上行链路传输，则基站接收信号为：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于贪心算法的波束赋形方法，包括以下内容：
(1)上行多用户系统模型，如图一所示上行链路多用户毫米波混合波束赋形系统模型。
基站端配有N根天线，M个RF链路，同时与K个单天线用户进行通信，其中K≤M，基带数字波束赋形矩阵记为W，幅度和相位均可变；模拟波束赋形矩阵记为F，只有相位可变，幅度恒定。考虑上行链路传输，则基站接收信号为：



其中，p为发送符号功率，s是K×1的发射符号向量，满足E[SSH]＝(1/K)×IK,H为N×K的信道矩阵，n为N×1的高斯噪声向量，服从y为N×1的基站接收符号向量。
通过基站端混合波束赋形处理后，恢复出的K个用户接收信号为



这里WHBF为N×K混合波束赋形矩阵，由模拟波束赋形矩阵和数字波形赋形矩阵构成，表示WHBF＝FW，F为N×M的模拟波束赋形矩阵；W为N×K的数字波形赋形矩阵。
第k个用户接收信干噪比为：



其中，hk表示信道矩阵H的第K列向量，为混合波束赋形矩阵第k行向量。则系统频谱效率R如下：



(2)基于贪心思想的混合波束赋形算法
基于上述的上行多用户混合波束赋形系统模型，给出基于贪心思想的多用户混合波束赋形算法。
架设基站端已知信道状态信息，以最大化系统频谱效率为准则设计混合波束赋形矩阵，则原始优化问题为：






为最大化每个用户的频谱效率，除了提高有用信号的功率外，还应该减少用户间干扰。在传统的大规模MIMO多用户场景中，一些常用的线性检测算法如MRC、ZF、MMSE检测算法，就可以实现比较高的频谱效率。然而由于混合波束赋形结构中模拟域的恒幅约束条件，这些全数字检测矩阵不能直接用于混合波束赋形系统。F检测算法是大规模MIMO系统中典型的检测算法，其加权矩阵用于消除用户间干扰，当基站配置的天线数远大于同时服务的用户数时，ZF检测算法可以获得接近最佳的检测性能。在单用户混合波束赋形算法中，最大化频谱效率可以转换成最小化混合波束赋形矩阵与最优无约束的全数字矩阵的距离优化问题，即在满足系统约束条件下，使混合波束矩阵接近最优无约束的全数字矩阵。利用该思想，以全数字ZF检测矩阵作为无约束条件下的最优检测矩阵，那么在多用户混合波束赋形算法中，最大化毫米波系统频谱效率可以转换为最小化混合波束赋形矩阵与全数字ZF检测矩阵的距离:






这里，这里P＝H(HHH)-1为全数字ZF检测矩阵，约束条件为模拟波束赋形矩阵的恒幅约束。
此时的用户数K≠M﹐因此模拟波束赋形矩阵不能直接从全数字矩阵Р中进行相位提取得到。为了降低算法实现复杂度，先将原优化问题分解成子优化问题，通过求解子优化问题，为贪心算法提供初始解，减少贪心算法的迭代次数。由于K＝M是原始问题的临界点，现以K为分界点，将模拟波束赋形矩阵求解拆分成两个阶段即F的前K列F[:,1:K]和后(M-K)列F[:,K+1:M]进行，先通过建立子优化问题模型，利用相位提取技术得到F:,1:K]，然后以F[:,1:K]做为初始值，利用贪心算法，采用列更新的方式，不断减小混合波束赋形矩阵与最优ZF检测矩阵之间的残差，得到F[:,K+1:M]。
首先对模拟波束赋形矩阵进行初始化即对模拟波束赋形矩阵F[:,1:K]进行求解。为简化问题，降低算法实现复杂度，该阶段将模拟域和数字域分开处理，首先处理模拟矩阵F:,1:K]，所求解的模拟波束赋形矩阵列向量k满足1≤k≤K，因此通过最小化距离思想得到如下优化问题:






将Frobenius范数展开，那么上式可以写为：



最优全数字矩阵P的第(m,n)个元素Pn，m可以写为模拟矩阵F[:,1:K]的第(m,n)个元素Pn，m可以写为因此上述优化问题的最优解为：
arg(Fn，m)＝arg(Pn，m)
其中，arg(An，m)是提取矩阵A中第(m,n)个元素的相位信息。
因此F[:,1:K]为：



接下来求解模拟波...

【专利技术属性】
技术研发人员：李岳洲，徐重慧，胡南，
申请(专利权)人：苏州迈斯维通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32