基于黎曼流形的分层码本设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于黎曼流形的分层码本设计方法，主要解决现有分层码本设计无法精确地进行信道估计，生成码本时间复杂度高的问题。其实现方案为：将毫米波信道离开角在网格中均匀量化，得到离开角度集合；根据信道路径数目和分层码本参数设计分层码本结构；利用量化后的角度和分层码本中的波束赋形向量推导得出目标函数；计算目标函数的微分和梯度，得到目标函数最快优化方向，利用Armijo

【技术实现步骤摘要】
基于黎曼流形的分层码本设计方法


[0001]本专利技术属于通信
，特别适用于一种分层码本的设计方法，可用于5G场景中对毫米波信道的估计。

技术介绍

[0002]毫米波由于在高频段具有大量空闲频谱被广泛运用到第五代移动通信系统中，然而毫米波也有其不可忽视的缺点。因为毫米波的波长很短，就带来了更高的路径损耗。除此之外，毫米波的穿透能力很差，非常容易受到障碍物的影响，从而造成了毫米波覆盖范围较小，影响传输质量。其次，毫米波在大气中传播时，由于空气和雨水具有很强的吸收效果，会造成毫米波信号的衰减。鉴于毫米波系统的这些缺点，目前主要通过部署大规模天线系统和利用波束赋形技术来补偿毫米波的路径损耗。目前，主要使用的波束赋形架构包括全数字波束赋形架构，模拟波束赋形架构和混合波束赋形架构。其中全数字波束赋形架构，其需要对每一个天线配置一套完整的射频链路，这将带来了巨大的能量损耗和硬件成本开支；模拟波束赋形架构，其仅对信号相位进行调整，并不适用与现今的毫米波系统；混合波束赋形架构，综合了全数字波束赋形和模拟波束赋性各自的优点，即利用模拟波束赋形的低功耗和全数字波束赋形的高性能，显著平衡了对波束赋形增益的高需求和降低功耗硬件成本的需要。
[0003]目前大多数混合波束赋形研究大多考虑了在完美已知的信道状态信息下进行波束赋形设计，然而实际中信道状态信息并不是完美已知的，因此在进行混合波束赋形设计前，需要进行信道估计来获取信道状态信息。
[0004]现有信道估计方法主要分为以下两大类：
[0005]一是基于导频的信道估计，其包括基于最小二乘法的信道估计和基于结合信道与噪声信息的最小均方误差信道估计算法。这种信道估计算法由于导频占用了信息比特，因而降低了信道传输的有效性，浪费了带宽。同时由于在接收端要将整帧的信号接收后才能提取出参考信号进行信道估计，故又带来了不必要的时延。
[0006]二是使用少量导频或者不使用导频的半盲/盲信道估计算法，其包括基于特征值分解和广义线性信道估计。近些年来，根据在大规模多输入多输出系统中，发送端和接收端有许多能量为0或者接近于0的传播路径，仅有部分传播路径具有能量的特性，有学者利用毫米波信道的稀疏特性，提出基于压缩感知的信道估计算法，将信道估计问题转换为稀疏重构问题。还有一种信道估计算法是基于分层码本来实现的，通过将平面角度逐层细分，提高码本的分辨率，得到毫米波信道的主要传播路径。
[0007]基于分层码本的信道估计算法主要包括基于离散傅里叶变换的分层码本设计和正交匹配追踪算法。
[0008]传统的基于离散傅里叶变换的分层码本是利用离散傅里叶变换对码本中的每一个码字分别进行设计，其使用更高的相移分辨率提供更加灵活的波束，使得每个波束都能达到相同的最大增益。这种码本的设计优点是思路简单，而缺点则是在逐步分层的过程中，
会存在估计误差，从而导致信道估计性能的降低。
[0009]基于正交匹配追踪设计分层码本的方案是A.Alkhateeb等人在2014年于《IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing》期刊提出的。其首先将0～2π的平面角在含有N个点的网格中均匀量化，并设计分层码本结构。分层码本中每一层包含具有特定波束宽度的波束赋形向量，用于后续的信道估计。在下一层中，将对应的角度范围进行二分，以增大分层码本的分辨率。如果这N个点对应的角度属于波束赋形向量对应角的子区间，则该波束赋形向量与这个角度对应的天线导向矢量相乘为一个常数，否则为0。将这些波束赋形向量组合成矩阵，写出目标函数，得到全数字波束赋形码本，通过将混合波束赋形码本无限逼近于全数字波束赋形码本作为目标函数，并通过正交匹配追踪算法求解该码本中的每一个码字，可得到最终的分层码本。然而，该方案仍然存在以下两方面的缺点：
[0010]1.由于在现有的技术中，信道估计和混合波束赋形通常以不同目标串联进行，例如，人们通常将均方误差最小化作为信道估计的目标，将频谱利用率最大化作为混合波束赋形的目标，因而这种以不同目标分别进行优化的方法会导致系统性能的降低。
[0011]2.该算法由于通过利用混合波束赋形码本无限逼近全数字波束赋形码本作为目标函数进行优化。相比于直接对每一个码字直接进行优化性能，这样的优化方式得到的分层码本用于信道估计中性能较差。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的在于针对现有技术存在的不足，提出一种基于黎曼流形的分层码本设计方法，以提高信道估计性能和系统通信效率。
[0013]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0014]一.技术原理
[0015]本专利技术的基本思想是利用毫米波信道的稀疏特性，设计分层码本用于信道估计。
[0016]在分层码本的设计过程中，分为三个阶段，其中
[0017]第一阶段，是根据信道的情况，设置分层码本的各种参数的值，并设计出分层码本的结构，即首先将信道的到达角和离开角在含有N个点的网格中均匀量化，并根据信道的路径个数，码本的层数，在下一层中角度被均分的个数设计出用于信道估计的分层码本。
[0018]第二阶段，是利用数学推导导出求解分层码本每一个码字的目标函数，即如果这N个点对应的角度属于波束赋形向量对应角的子区间，则该波束赋形向量与这个角度对应的天线导向矢量相乘为一个常数，否则为0；最后再将这些波束赋形向量组合成矩阵，写出目标函数。
[0019]第三阶段，是利用黎曼流形方法对分层码本的每一个码字进行求解，即用黎曼流形方法求解第二阶段推导出的目标函数，计算得到码本中的每一个码字，并得到最终的分层码本。
[0020]相较于其他分层码本设计，基于黎曼流形的分层码本针对预期的波束响应目标直接优化了码本中的每一个码字，因此可得到更为精确的混合预编码码本和由此产生的离开角估计。
[0021]二.实现方案
[0022]根据上述原理，本专利技术的技术方案包括如下实现步骤：
[0023]1)将毫米波信道的离开角在网格中均匀量化，即在(0～2π)平面角内对离开角连续取值，得到离开角度集合Ω，其中u＝0,1,...,N
‑
1，N表示为网格的点数；
[0024]2)设计分层码本结构：
[0025]2a)根据信道传播路径的数目L值，对空间内的平面角进行粗划分：
[0026]如果L的值为1，则将空间内的平面角均分为G份，且G和L均为大于0的整数；
[0027]如果L的值不为1，则需要将空间内的平面角均分为LG份；
[0028]2b)设置分层码本的层数A，并根据A的值对粗化分的空间内的平面角继续细分：
[0029]3)根据步骤(1)量化的角度和步骤(2)设计的分层码本结构构建目标函数；
[0030]3a)对于分层码本的第a层的第g个子集，如果步骤1)中量化的角度在该波束赋形向量对应的角度范围内，则该量化角度对应的天线导向矢量与波束赋形向量的乘积为一个常量，否则为0；
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于黎曼流形的分层码本设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将毫米波信道的离开角在网格中均匀量化，即在(0～2π)平面角内对离开角连续取值，得到离开角度集合Ω，其中u＝0,1,...,N
‑
1，N表示为网格的点数；(2)设计分层码本结构：2a)根据信道传播路径的数目L值，对空间内的平面角进行粗划分：如果L的值为1，则将空间内的平面角均分为G份，且G和L均为大于0的整数；如果L的值不为1，则需要将空间内的平面角均分为LG份；2b)设置分层码本的层数A，并根据A的值对粗化分的空间内的平面角继续细分：(3)根据步骤(1)量化的角度和步骤(2)设计的分层码本结构构建目标函数；3a)对于分层码本的第a层的第g个子集，如果步骤1)中量化的角度在该波束赋形向量对应的角度范围内，则该量化角度对应的天线导向矢量与波束赋形向量的乘积为一个常量，否则为0；3b)将向量的乘积组合成为矩阵的乘积，构建如下目标函数：s.t.||[F
RF
]||2＝1||F
RF
F
B
||2≤1式中，A
t
为发送天线导向矢量组合成的矩阵，F
RF
和F
B
分别为模拟预编码码字和数字预编码码字，C为步骤(3a)中乘积后得到的常数，T为向量乘积后得到的常数组成的矩阵；(4)利用黎曼流形求解目标函数；4a)根据目标函数确定F
B
的最优解表达式的最优解表达式其中为矩阵A
t
的共轭转置4b)将代入目标函数中，得到只含有F
RF
的函数表达式J(F
RF
)：4c)求得函数表达式J(F
RF
)中的微分表达式d(J(F
RF
))和梯度表达式
▽
J(F
RF
)：)：其中，为N
t
×
N
t
的单位矩阵；4d)利用Armijo
‑
Goldstein准则确定黎曼流形优化的步长，并使用Retraction函数找到下一个优化的点，表示为：
其中，α
k
为利用Armijo
‑
Goldstein准则确定的步长；4e)重复步骤(4c)至步骤(4d)，直到重复次数大于指定值或者第k
‑
1次迭代和第k次迭代得到的F
RF
最优解之差小于指定值时，得到F
RF
的最优解4f)将最优解代入步骤(4a)中F
B
最优解的表达式，求得F
B
的最优解5)得到最终的分层码本：5a)根据4e)和4f)的结果，在发送端的功率约束下，设计出发送端预编码码字F为：其中表示矩阵的模值；5b)用5a)得到的每一个码字组成最终的码本。2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤1)中得到量化后的角度集合Ω，表示如下：3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤2b)中根据分层码本的层数A对粗化分的空间内的平面角继续细分，实现如下：2b1)对于L＝1的单径信道的情况，根据A值对分层码本各个子集进行细分:如果A＝2时，则将步骤(2a)中均分成的G份中各个子集再次均分G份，即在分层码本的第二层，将训练的波束赋形向量再划分为G2个子集；如果A＝3时，则将分层码本第二层中各个子集再次均分G份，即在分层码本的第三层，将训练的波束赋形向量再划分为G3个子集；以此类推，在分层码本第A层中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：付少忠，吴寅鹏，李毅，高明，刘刚，葛建华，田静，周易，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：