离散透镜天线阵列辅助的多用户大规模MIMO优化方法技术

本发明专利技术提出一种离散透镜天线阵列辅助的多用户大规模MIMO优化方法。本发明专利技术针对实际系统中毫米波通信的特点，同时考虑了基于正交频分复用的下行宽带传输以及用户侧的混合模数结构，将下行频谱效率最大化问题建模为系统的波束选择矩阵、用户侧的滤波矩阵以及基站侧的数字域预编码矩阵的联合优化问题，在设计具体传输方案时兼顾考虑宽带系统的波束选择网络的频率独立性以及用户侧滤波器的影响。本发明专利技术提出一种基于惩罚对偶双分解以及块坐标下降的方法对系统的波束选择矩阵、用户侧的滤波矩阵以及基站侧的数字域预编码矩阵进行联合优化，在有效改进系统下行频谱效率的同时能够显著降低优化问题求解和物理层实现的复杂度。本发明专利技术讨论的下行传输模型具有较强的统一性，因此所提出的传输方案具有普适性，可应用于许多简化的通信场景。简化的通信场景。简化的通信场景。

【技术实现步骤摘要】
离散透镜天线阵列辅助的多用户大规模MIMO优化方法


[0001][0002]本专利技术涉及无线通信物理层中的频谱效率优化问题，特别涉及一种离散透镜天线阵列辅助的多用户大规模MIMO优化方法。

技术介绍

[0003]由于具有更大的信号带宽以及更高的阵列增益，毫米波大规模天线(millimeter
‑
wavemassive multiple
‑
input multiple
‑
output,mmWave M
‑
MIMO)技术被视为未来无线通信系统中的一项重要技术。然而，在实际通信系统中部署毫米波大规模天线阵列极具挑战性。这一挑战的主要原因在于大规模天线阵列的每条天线需要与对应的射频链路相连以最大化系统传输速率。射频链路中包括功率放大器、数模转换器以及模数转换器等结构，造价昂贵且功耗较高。为毫米波大规模天线阵列的每条天线配置射频链路将导致极高的硬件成本以及功率损耗，这给毫米波大规模天线阵列的部署带来了极大的挑战。
[0004]为解决上述问题，近年来，工业界提出了以硬件开销较本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离散透镜天线阵列辅助的多用户大规模MIMO优化方法，其特征在于，在设计具体传输方案时兼顾考虑宽带系统的波束选择网络的频率独立性以及用户侧滤波器的影响，可以采用一种基于惩罚对偶双分解以及块坐标下降的方法对系统的波束选择矩阵、用户侧的滤波矩阵以及基站侧的数字域预编码矩阵进行联合优化，在有效改进系统下行频谱效率的同时能够显著降低优化问题求解和物理层实现的复杂度。其中，基站侧的数字预编码矩阵、波束选择矩阵以及各用户的移相器滤波矩阵的联合优化可以采用基于惩罚对偶双分解以及块坐标下降的迭代算法，其步骤为：引入两个辅助变量，将原问题转化为一个等价的最小化均方误差的优化问题；引入两个辅助变量以及相应的约束条件，对最小均方误差问题的离散约束条件进行等价转化；针对转化后的最小化均方误差问题，利用惩罚对偶双分解算法，迭代求解对应的增广拉格朗日子问题、更新相应的拉格朗日对偶变量与惩罚系数，迭代实施上述过程直至问题的约束背离(constraint violation)系数小于某个给定的阈值，得到原问题的一个驻点次优解；针对惩罚对偶双分解每次迭代中的增广拉格朗日问题，利用块坐标下降法设计波束选择网络、基站侧各子载波的数字预编码矩阵、用户侧的模拟滤波矩阵以及引入的辅助变量，迭代、交替实施上述各变量的优化过程直至相邻两次目标函数值小于某个给定的阈值。2.根据权利要求1所述的离散透镜天线阵列辅助的多用户大规模MIMO优化方法，其特征在于，所述透镜天线阵列辅助的宽带毫米波多用户大规模MIMO下行链路频谱效率可以表示为：其中，基站侧配有一个含有N条天线的透镜天线阵列以及L条射频链路，子载波数为K，下行用户共有M个，每个用户采用混合模数结构，其中第m个用户配有L
m
条射频链路、N
m
条天线，每条射频链路与接收天线之间通过一个移相器相连，log(
·
)表示对数运算，det(
·
)表示行列式运算，表示L
m
×
L
m
的单位矩阵，(
·
)
H
表示矩阵的共轭转置运算，(
·
)
‑1表示矩阵的求逆运算。表示发送给第m个用户的信号在子载波k上的数字预编码矩阵，表示复数域，L
k，m
表示数据流数，表示第m个用户与基站在子载波k上的毫米波波束域信道，表示波束选择矩阵，表示第m个用户的模拟滤波矩阵，Φ
m
的第(i，j)个元素为j是虚数符号，表示第m个用户的第i条射频链路与第j条天线之间的移相器的相位，Z
m
[k]表示噪声与用户间干扰的协方差矩阵。Z
m
[k]可以表示为其中表示噪声功率。波束选择矩阵S的元素由0与1构成，其中第(i，j)个元素[S]
i，j
为0或者1表示基站第i条射频链路与第j个波束不相连或相连。实际系统中，每个波束一般设置为最多与一条射频链路相连，因此矩阵s中的元素满足[S]
i，j
∈{0，1}、以及此外，在实际系统中，移相器的相位通常只能取离散值，其中Q表示量化阶数。
3.根据权利要求1所述的离散透镜天线阵列辅助的多用户大规模MIMO优化方法，其特征在于，所述下行频谱优化问题可以表示为：所述下行频谱优化问题可以表示为：所述下行频谱优化问题可以表示为：所述下行频谱优化问题可以表示为：其中，F＝{F
m
[k]|m＝1，...，M，k＝1，...，K}，Φ＝{Φ
m
|m＝1，......

【专利技术属性】
技术研发人员：程振桥，欧阳崇峻，韦再雪，杨鸿文，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：