一种毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码方法技术方案

本发明专利技术公开了一种毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码方法，属于无线通信技术领域。所述方法包括：首先，通过满足恒模约束条件的模拟预编码矩阵确定固定相位移相器与天线的初始连接状态。然后，根据连接状态构造最佳候选模拟预编码矩阵并求解全局最优的索引向量。最后，由最优索引向量组成的数字预编码矩阵反馈到动态网络，实现移相器与天线阵列连接状态的交替优化更新。本发明专利技术只需要少量量化和固定相位的移相器，即可使MIMO系统在性能和复杂度之间达到良好平衡，在保证系统性能的同时，有效地降低系统功率和硬件成本，并在降低系统计算复杂度的前提下，提高了系统的频谱效率。提高了系统的频谱效率。提高了系统的频谱效率。

【技术实现步骤摘要】
一种毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码方法


[0001]本专利技术涉及一种毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码方法，属于无线通信技术领 域。

技术介绍

[0002]随着无线数据量爆炸式的增长，毫米波大规模MIMO系统受到越来越多的关注，其作 为第五代移动通信技术的关键技术之一，具有高数据传输速率、高可靠性的显著优势。传统 的MIMO系统中，发送端通过数字预编码技术预先消除各数据流之间的部分或全部干扰， 使发送信号的空间分布特性与信道条件相匹配，获得更好的频谱效率及误码率性能。但针对 大规模MIMO系统，天线阵列规模大幅度增加，若采用传统全数字预编码技术，则需要大 量的射频链路(Radio Frequency，RF)，增加了硬件设计难度和设计成本。研究者将模拟预 编码技术应用到大规模MIMO系统中，只需要少量RF链路，硬件成本及功耗都低。但这种 应用存在一定的频谱效率性能损失，且其抗干扰能力较弱，故研究者提出了将低维数字预编 码技术和高维模拟预编码技术相结合的混合预编码结构，该结构在减少RF链路的同时能够 充分利用大规模天线阵列带来的增益。
[0003]由于毫米波频率高、波长短，传输过程中受环境因素影响将会产生严重损耗，对于毫米 波而言其散射是有限的，因此视距传输为主要传输方式，信道特征具体表现为信道的稀疏性。 同时基于模拟预编码码本中码字的恒模约束及离散特性，研究者们为了最大化系统频谱效率， 将混合预编码设计问题转化为含有非凸约束的优化问题，并采用正交匹配追踪算法 (Orthogonal Matching Pursuit，OMP)进行稀疏信号重建，设计混合预编码矩阵，但OMP 算法需要进行高维矩阵的奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)及求逆运算， 导致计算复杂度明显增加。有学者通过设计预编码码本、改进RF连接结构、优化迭代算法 等方式来提高系统的频谱效率及误码率性能，但也难以实现系统频谱效率与计算复杂度之间 的均衡。
[0004]此外，有研究表明使用少量具有固定相位的移相器的混合预编码算法，可以减少系统的 计算复杂度。但是相位固定会导致无法快速更新最佳数字预编码矩阵，损失了系统频谱性能。 同时还有研究表明在获悉完全信道状态信息的情况下，提出一种基于正交匹配追踪算法的低 复杂度混合预编码，该算法有效提高了系统的频谱效率和复用增益，但是候选模拟预编码矩 阵构造和最大相关性索引增加了系统的复杂度。

技术实现思路

[0005]为了解决目前存在的毫米波大规模MIMO系统的预编码设计过程中，对于非凸约束的 优化问题的求解方式导致的系统频谱效率与计算复杂度高的问题，本专利技术提供了一种毫米波 大规模MIMO系统中的混合预编码方法。
[0006]本专利技术的第一个目的在于提供一种毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码方法，所 述毫米波大规模MIMO系统中，包含N
s
个数据流的发射信号s在发射端通过数字预编码模
块 进行数字预编码处理后，传输至由条射频链、固定相位移相器和射频相加器构成的模拟 预编码模块，由模拟预编码模块进行模拟预编码处理后，将数据流映射到N
t
根发射天线上， 并发送至信道进行数据传输，接收端通过N
r
根接收天线接收数据，并依次经过模拟组合器及 数字组合器进行处理，得到接收信号y，实现包含多个数据流的多路径数据传输；
[0007]所述混合预编码方法包括：
[0008]步骤一：为最大化系统的频谱效率，优化所述数字预编码模块、所述模拟预编码模块及 模拟组合模块、数字组合模块的设计，将包含模拟预编码矩阵、数字预编码矩阵、模拟组合 器矩阵及数字组合器矩阵的混合预编码设计过程中含有非凸约束的优化问题转化为求解欧式 距离最小的问题；
[0009]步骤二：为解决恒模约束下所述模拟预编码矩阵F
RF
相位离散难以求解的问题，在固定 移相器后增加一个由开关矩阵S控制的动态网络来自适应调节相位，以提升频谱性能；将模 拟预编码矩阵F
RF
分解为F
RF
＝SC，其中，C为固定相位移相器阵列矩阵；
[0010]步骤三：对所述数字预编码矩阵F
BB
实施正交约束条件，使得F
BB
＝αF
DD
；求解所述开 关矩阵S中的每个单独开关状态s
k
，根据在欧几里德空间里接近变量α，所述开 关矩阵S与位置对应元素取值为1，若是在欧几里德空间接近0， 对应位置元素取值0；对于α的求解，满足二次函数，在函数取最小值时α为最优解，其中， F
opt
表示最佳无约束全数字预编码器，α表示数字矩阵变量，F
DD
表示半酉数字预编码矩阵；
[0011]步骤四：为了求解步骤三中α的最优解，通过恒模约束条件和矩阵奇异值分解初始构造 F
DD
；为了实现整体算法的快速收敛和提高频谱效率，通过步骤三完成动态开关矩阵S和变 量α对模拟预编码交替优化；然后利用残差矩阵F
res
的更新与天线阵列响应矢量A
t
的相关性 来更模拟预编码矩阵k表示相关性最大的的列数；
[0012]步骤五：对步骤四求解的模拟预编码矩阵进行奇异值分解求解 半酉数字预编码矩阵F
DD
＝KJ
*
，然后将步骤四更新的模拟预编码矩阵、数字预编码矩阵与 最佳无约束全数字预编码器F
opt
比较计算所述残差矩阵
[0013]步骤六：步骤四和步骤五循环次，完成对所述数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵的 更新，更新完成的混合预编码矩阵反馈到步骤三求解更新所述开关矩阵S和变量α，为解决 步骤一中欧式距离最小的问题，循环步骤二至步骤五，得到最佳的混合预编码矩阵；
[0014]可选的，所述接收端的接收信号为：
[0015][0016]其中，表示数字预编码器；表示模拟预编码器，满足恒模约 束|束|表示信道矩阵，满足表示信道矩阵，满足表示用户总 接收信号向量；ρ代表平均接收功率，是经过调制的发送信号，满足
是均值为零，方差为的加性高斯白噪声矢量；
[0017]表示发射端频链路数，N
s
表示传输数据流数量，N
r
表示接收端天线数，N
t
表示发射 端天线数；表示F范数；W
BB
表示数字组合器矩阵；W
RF
表示模拟组合器矩阵；表 示N
s
维单位矩阵。
[0018]可选的，所述混合预编码器F＝F
RF
F
BB
满足
[0019]可选的，所述MIMO系统的频谱效率为：
[0020][0021]其中，为组合噪声协方差矩阵，表示等 效处理矩阵，σ
n
表示噪声功率。
[0022]可选的，所述步骤三中模拟预编码器矩阵F...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码方法，其特征在于，所述毫米波大规模MIMO系统中，包含N
s
个数据流的发射信号s在发射端通过数字预编码模块进行数字预编码处理后，传输至由条射频链、固定相位移相器和射频相加器构成的模拟预编码模块，由模拟预编码模块进行模拟预编码处理后，将数据流映射到N
t
根发射天线上，并发送至信道进行数据传输，接收端通过N
r
根接收天线接收数据，并依次经过模拟组合器及数字组合器进行处理，得到接收信号y，实现包含多个数据流的多路径数据传输；所述混合预编码方法包括：步骤一：为最大化系统的频谱效率，优化所述数字预编码模块、所述模拟预编码模块及模拟组合模块、数字组合模块的设计，将包含模拟预编码矩阵、数字预编码矩阵、模拟组合器矩阵及数字组合器矩阵的混合预编码设计过程中含有非凸约束的优化问题转化为求解欧式距离最小的问题；步骤二：为解决恒模约束下所述模拟预编码矩阵F
RF
相位离散难以求解的问题，在固定移相器后增加一个由开关矩阵S控制的动态网络来自适应调节相位，以提升频谱性能；将模拟预编码矩阵F
RF
分解为F
RF
＝SC，其中，C为固定相位移相器阵列矩阵；步骤三：对所述数字预编码矩阵F
BB
实施正交约束条件，使得F
BB
＝αF
DD
；求解所述开关矩阵S中的每个单独开关状态s
k
，根据在欧几里德空间里接近变量α，所述开关矩阵S与位置对应元素取值为1，若是在欧几里德空间接近0，对应位置元素取值0；对于α的求解，满足二次函数，在函数取最小值时α为最优解，其中，F
opt
表示最佳无约束全数字预编码器，α表示数字矩阵变量，F
DD
表示半酉数字预编码矩阵；步骤四：为了求解步骤三中α的最优解，通过恒模约束条件和矩阵奇异值分解初始构造F
DD
；为了实现整体算法的快速收敛和提高频谱效率，通过步骤三完成动态开关矩阵S和变量α对模拟预编码交替优化；然后利用残差矩阵F
res
的更新与天线阵列响应矢量A
t
的相关性来更模拟预编码矩阵k表示相关性最大的的列数；步骤五：对步骤四求解的模拟预编码矩阵进行奇异值分解求解半酉数字预编码矩阵F
DD
＝KJ
*
，然后将步骤四更新的模拟预编码矩阵、数字预编码矩阵与最佳无约束全数字预编码器F
opt
比较计算所述残差矩阵步骤六：步骤四和步骤五循环次，完成对所述数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵的更新，更新完成的混合预编码矩阵反馈到步骤三求解更新所述开关矩阵S和变量α，为解决步骤一中欧式距离最小的问题，循环步骤二至步骤五，得到最佳的混合预编码矩阵。2.根据权利要求1所述的混合预编码方法，其特征在于，所述接收端的接收信号为：其中，表示数字预编码器；表示模拟预编码器，满足恒模约
束束表示信道矩阵，满足表示信道矩阵，满足表示用户总接收信号向量；ρ代表平均接收功率，是经过调制的发送信号，满足是经过调制的发送信号，满足是经过调制的发送信号，满足是均值为零，方差为的加性高斯白噪声矢量；表示发射端频链路数，N
s
表示传输数据流数量，N
r
表示接收端...

【专利技术属性】
技术研发人员：李正权，王舟明，代涛，马可，李君，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：