离散透镜天线阵列辅助的宽带毫米波多用户大规模MIMO上行频谱效率优化方法技术

本发明专利技术提出一种离散透镜天线阵列辅助的宽带毫米波多用户大规模MIMO上行频谱效率优化方法。本发明专利技术针对毫米波多用户MIMO通信的特点，同时考虑了用户侧的混合模数结构以及基于正交频分复用的上行宽带传输，通过联合优化基站侧的波束选择矩阵、用户侧的移相器模拟预编码矩阵以及数字域预编码矩阵以改善系统上行频谱效率，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移相器模拟预编码的影响。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基站侧的波束选择矩阵、用户侧的移相器模拟预编码矩阵以及数字域预编码矩阵进行联合优化，在有效改进系统上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。优化问题求解和物理层实现的复杂度。优化问题求解和物理层实现的复杂度。

【技术实现步骤摘要】
离散透镜天线阵列辅助的宽带毫米波多用户大规模MIMO上行频谱效率优化方法
[0001]1.应用领域
[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宽带毫米波多用户大规模MIMO上行频谱效率优化方法。
2.
技术介绍

[0003]离散透镜天线阵列(Discrete Lens Antenna Array，DLAA)是一种由连续孔径相控天线集成的大型阵列。通过提前设计好相控阵列的相位值，DLAA可以实现对空间信道的离散傅里叶变换，将空域大规模天线系统(massive multiple
‑
input multiple
‑
output，M
‑
MIMO)信道转化为波束域M
‑
MIMO信道。这一技术已被广泛应用于毫米波(millimeter
‑
wave，mmWave)通信中。由于毫米波的波长很短，路径损耗严重，可分辨传播路径数远少于天线数，变换到波束域的mmWave M
‑
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。
[0004]在DLAA辅助的mmWave M
‑
MIMO通信中，基站侧的射频链路与DLAA之间插入一个由开关结构组成的波束选择网络，可以从稀疏的波束域信道中选出能量聚集的波束。将这些能量聚焦的波束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]在DLAA辅助的mmWave多用户MIMO上行通信中，为了更好地平衡系统的频谱效率和系统的硬件成本，需要联合设计用户侧的预编码矩阵以及基站侧的波束选择矩阵。传统的mmWave无线通信传输方法设计大多只考虑基于单载波传输的窄带通信。由于毫米波频段较高频谱资源丰富，考虑宽带传输更为实际；此外，由于毫米波的波长较短，天线尺寸往往更小，用户侧可以配置多天线进行传输。因此，本专利技术提出一种更实际的DLAA辅助的宽带mmWave多用户大规模MIMO上行频谱效率优化方法，系统采用宽带传输，用户配置多条天线，采用混合模数预编码结构。通过考虑宽带系统的波束选择网络的频率独立性以及用户侧移相器模拟预编码的影响，本专利技术提出了一种复杂度较低的算法对基站侧的波束选择矩阵、用户侧的移相器模拟预编码矩阵以及数字域预编码矩阵进行联合优化以改善系统的上行频谱效率。
[0006]3.
技术实现思路
及特征
[0007]本专利技术提出一种离散透镜天线阵列辅助的宽带毫米波多用户大规模MIMO上行频谱效率优化方法，能够有效提高宽带毫米波多用户大规模MIMO上行链路的频谱效率，并且显著降低优化问题求解和物理层实现的复杂度。
[0008]为实现上述专利技术目的，本专利技术所述的离散透镜天线阵列辅助的宽带毫米波多用户大规模MIMO上行频谱效率优化方法，包括以下步骤：
[0009]在毫米波多用户大规模MIMO宽带上行传输中，系统采用正交频分复用技术(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)，每个用户发送给基站的数据流首先在用户侧进行数字预编码随后进行OFDM调制，调制后的信号通过移相器网络进行模拟
预编码并且经由天线发送到无线环境中，最终到达基站侧；基站接收的信号首先通过透镜天线阵列以及波束选择网络，随后经由射频链路传输到数字处理器中进行OFDM解调以及数据检测；基站利用每个用户与基站之间的瞬时信道信息，以上行频谱效率最大化为准则联合设计用户侧的数字预编码矩阵、移相器模拟预编码矩阵以及基站侧的波束选择矩阵；所述联合优化问题的目标为在满足波束选择网络的约束、每个用户各子载波总传输功率约束以及用户侧模拟预编码矩阵可调相位的约束下最大化各子载波频谱效率的平均值，即系统的上行频谱效率；
[0010]其中，用户侧的数字预编码矩阵、移相器模拟预编码矩阵以及基站侧的波束选择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：利用矩阵理论的Sylvester行列式等式以及波束选择矩阵的结构特点将原问题化简，减少优化变量的数目；引入两个辅助变量，将化简后的最大化上行频谱效率优化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(constraintviolation)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、用户侧各子载波的数字预编码矩阵、用户侧的模拟预编码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。
[0011]作为优选，所述透镜天线阵列辅助的宽带毫米波多用户大规模MIMO上行链路频谱效率可以表示为：
[0012][0013]其中，上行用户共有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，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，log(
·
)表示对数运算，det(
·
)表示行列式运算，I
N
表示N
×
N的单位矩阵，(.)
H
表示矩阵的共轭转置运算。表示第m个用户的发送给基站的信号在子载波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个用户的移相器模拟预编码矩阵，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，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，
[0014][0015]其中Q表示量化阶数。
[0016]作为优选，所述上行频谱优化问题可以表示为：
[0017][0018][0019][0020][0021]其中，P＝{P
m
[k]|m＝1，...，M，k＝1，...，K}，Φ＝{Φ
m
|m＝1，...，M}，P
max，m
表示系统中每个用户各子载波平均功率约束。
[0022]作为优选，所述利用矩阵理论的Sylvest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宽带毫米波多用户大规模MIMO上行频谱效率优化方法，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移相器模拟预编码矩阵的影响，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基站侧的波束选择矩阵、用户侧的移相器模拟预编码矩阵以及数字域预编码矩阵进行联合优化，在有效改进系统上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，用户侧的数字预编码矩阵、移相器模拟预编码矩阵以及基站侧的波束选择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：利用矩阵理论的Sylvester行列式等式以及波束选择矩阵的结构特点将原问题化简，减少优化变量的数目；引入两个辅助变量，将化简后的最大化上行频谱效率优化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、用户侧各子载波的数字预编码矩阵、用户侧的模拟预编码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.根据权力要求1所述的离散透镜天线阵列辅助的宽带毫米波多用户大规模MIMO上行频谱效率优化方法，其特征在于，所述离散透镜天线阵列辅助的宽带毫米波多用户大规模MIMO上行链路频谱效率可以表示为：其中，上行用户共有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，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，log(
·
)表示对数运算，det(
·
)表示行列式运算，I
N
表示N
×
N的单位矩阵，(
·
)H表示矩阵的共轭转置运算。m表示第m个用户的发送给基站的信号在子载波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个用户的移相器模拟预编码矩阵，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，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.根据权力要求1所述的离散透镜天线阵列辅助的宽带毫米波多用户大规模MIMO上行频谱效率优化方法，其特征在于，所述上行频谱优化问题可以表示为：征在于，所述上行频谱优化问题可以表示为：征在于，所述上行频谱优化问题可以表示为：征在于，所述上行频谱优化问题可以表示为：其中，Φ＝{Φ
m
|m＝1，...，M}，P
max，m
表示系统中每个用户各子载波平均功率约束。4.根据权力要求1所述的离散透镜天线阵列辅助的宽带毫米波多用户大规模MIMO上行频谱效率优化方法，其特征在于，所述利用矩阵理论的Sylvester行列式等式以及波束选择矩阵的结构特点将原频谱效率化简的频谱效率最大化问题可以表示为：矩阵的结构特点将原频谱效率化简的频谱效率最大化问题可以表示为：矩阵的结构特点将原频谱效率化简的频谱效率最大化问题可以表示为：矩阵的结构特点将原频谱效率化简的频谱效率最大化问题可以表示为：s...

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