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低的离散透镜天线阵列(discretelens antenna array,DLAA)来实现mmWave M
‑
MIMO系统的方案。与之相呼应，学术界提出了基于DLAA的波束域(或角度域)M
‑
MIMO的概念。不同于传统的天线阵列，DLAA阵列可以实现对空间信道的离散傅里叶变换，将空域M
‑
MIMO信道转化为波束域M
>‑
MIMO信道。由于毫米波空间信道中的可分辨传播路径数远少于天线数，变换到波束域的mmWaveM
‑
MIMO信道具有明显的稀疏特性，即极少量波束对应的信道增益远大于其余波束。利用这一特性，通过一个由开关阵列组成的波束选择网络(beam selection network,BSN)选出这些能量聚集的波束，再将它们分别与独立的射频链路相连，可以在保证系统性能没有很大损失的前提下极大的减少系统的射频链路数，进而有效节省硬件成本以及功率损耗。
[0005]随着DLAA技术以及波束域M
‑
MIMO的概念被提出，许多波束选择算法被提出以优化 mmWave M
‑
MIMO系统的频谱效率。然而，大多数研究只考虑了窄带传输以及终端用户配置单天线的情况。这样的考虑比较简单，可以简化具体方案的设计，但却并不实际。首先，毫米波频段具有丰富的频谱资源，毫米波通信系统可利用的带宽要远大于传统的无线通信系统，因此在毫米波通信中更合理的假设应该是宽带传输。由于波束选择网络处于射频端，不具有频率分辨能力，不同的子频段对应的波束选择网络无法分别设计。换言之，波束选择网络的设计具有频率独立性(frequency independent)，所以基于窄带传输的波束选择方案无法适用于宽带系统中。其次，由于毫米波频段电磁波频率较高，波长较短，相应的天线尺寸可以设计的更为小巧，这使得在终端用户配置多天线成为了可能。在毫米波通信中，终端用户往往可以采用混合模数结构提升自身传输速率，这一硬件结构为用户配置数量多于射频链路的天线，每条天线通过一个相位可以调节的移相器与一条射频链路相连，实现射频端(或模拟域)的预编码或者滤波。因此，在用户配置多天线的毫米波多用户MIMO下行通信中，为了进一步改善系统的频谱效率，设计波束选择算法需要兼顾终端用户侧的滤波器或均衡器的优化。综上所述，透镜阵列辅助的mmWave M
‑
MIMO下行链路的波束选择算法设计需要兼
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
[0014][0015]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，
[0016][0017]其中Q表示量化阶数。
[0018]作为优选，所述下行频谱优化问题可以表示为：
[0019][0020][0021][0022][0023]其中，F＝{F
m
[k]|m＝1，...，M，k＝1，...，K}，Φ＝{Φ
m
|m＝1，...，M}，P
max
表示系统各子载波平均功率约束。
[0024]作为优选，所述通过引入辅助变量后将频谱最大化问题等价转化的均方误差最小化问题可以表示为：
[0025][0026][0027][0028][0029]其中，tr{
·
}表示矩阵的迹，与V＝{V
m
[k]}为辅助变量， E
m
[k]可以表示为
[0030][0031]作为优选，所述通过引入辅助变量对最小均方误差问题的离散约束条件进行等价转化后的问题可以表示为：
[0032][0033][0034][0035][0036][0037]其中，以及为辅助变量，满足满足(
·
)
T
表示矩阵的转置运算，其中[A]i，j
表示矩阵A的第(i，j)个元素，表示矩阵S的第j列，e
i
表示单位矩阵I
L
第i列。
[0038]作为优选，所述利用惩罚对偶双分解算法求解转化后的最小化均方误差问题，包括以下步骤：
[0039](1)固定拉格朗日对偶变量、惩罚系数以及约束背离系数的门限，利用块坐标下降法求解最小化均方误差问题的增广拉格朗日子问题，得到更新后的优化变量，包括基站侧的数字预编码矩阵、波束选择矩阵、用户侧的移相器滤波矩阵以及引入的四个辅助变量；
[0040](2)利用更新后的优化变量计算问题的约束背离系数，如果约束背离系数小于门限值，则利用闭式解更新拉格朗日对偶变量；如果约束背离系数大于门限值，则利用预设的缩放因子将惩罚系数缩小；
[0041](3)利用预设的缩放因子以及计算的约束背离系数更新约束背离系数的门限；
[0042](4)迭代上述过程，直至约束背离系数小于某个给定的阈值，得到原问题的一个驻点次优解。
[0043]作为优选，所述惩罚对偶双分解算法每次迭代中的增广拉格朗日问题可以表示为：
[0044][0045][0046][0047]其中{λ
m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：