一种毫米波大规模MIMO系统的混合预编码方法

技术领域

本发明属于信息与通信工程技术领域，尤其涉及毫米波大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)系统混合预编码。

背景技术

如今无线通信系统对容量的爆炸式需求使得传统的频谱资源日益紧张，毫米波能够提供丰富的频带资源和千兆数据速率，被认为是5G(5th-Generation)的关键技术。然而，与目前的无线通信系统相比，毫米波信号由于频率增加了10倍，其信号传播会遭受更高的自由空间路径损耗。幸运的是，波长的减小使得天线尺寸更小，允许在同一空间中封装大量的天线。大阵列可实现波束赋形增益，以补偿路径损耗。此外，利用大阵列，可以通过预编码提高频谱效率。在传统的MIMO系统中，每根天线都要配备单独的射频(Radio Frequency,RF)链，但在毫米波大规模MIMO系统中，如果采用传统的MIMO系统方式，大量数目的RF链会使得硬件成本急剧增加，且会带来巨大的能耗。针对这一问题，有人提出将少量射频链和大量移相器相结合的混合架构，在该混合架构下，发送符号先经过小尺度的基带预编码处理，然后通过大尺度的模拟预编码处理后映射到发射天线。模拟预编码部分由移相器构成，移相器仅能调节发送信号的相位。根据移相器和射频链的连接方式，混合架构分为部分连接架构和全连接架构。其中全连接混合架构能够获得接近全数字预编码的性能。由于模拟预编码由移相器实现，模拟预编码矩阵的元素受恒模约束，导致最大化频谱效率求预编码矩阵为一非凸问题，难以得到最优的混合预编码设计方案。

发明内容

本发明是为了解决上述混合架构预编码存在的待解决的问题，提出一种毫米波大规模MIMO系统的混合预编码方法，以期能够以相对较低的计算复杂度获得较优的接近全数字预编码方法的频谱效率，以获得接近全数字预编码的信道容量，并大幅节省射频链能耗，从而实现混合架构在无线通信场景的应用。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种毫米波大规模MIMO系统的混合预编码方法的特点在于，包括以下步骤：

步骤S0：根据窄带聚簇信道模型，随机生成信道矩阵H，并对所述信道矩阵H进行奇异值分解，得到右酉矩阵V；在发送端，取所述右酉矩阵V的前N

步骤S1：构建如式(1)所示的第一目标函数及其限制条件：

式(1)中，F

步骤S2：采用交替迭代的方法构造模拟矢量；

步骤S21：根据第一目标函数，构建如式(2)所示的第二目标函数及其约束条件：

式(2)中，f为模拟预编码矩阵F

将模拟矢量f表示为f＝f

定义中间矩阵F

步骤S22：初始化m＝1；

步骤S23：利用式(3)更新第i次迭代的列矢量

式(3)中，f

步骤S24：利用式(4)更新第i次迭代的模拟矢量f

式(4)中，

步骤S25：将m+1赋值给m；并重复步骤S23至步骤S25，直至m＝N

步骤S3：利用式(5)对更新后的第i次迭代的模拟矢量f′

式(5)中，

步骤S4：i+1赋值给i，重复步骤S22至步骤S4，直至i＝i max；从而得到最终的模拟矢量f

步骤S5：利用式(6)得到更新后的残差矩阵F

F′

式(6)中，F

式(6)中，

步骤S6：将n+1赋值给n后，重复步骤S2至步骤S6，直至n＝N

步骤S7：采用式(8)所示的最小二乘法计算数字预编码矩阵F

式(8)中，

步骤S8：利用式(9)对数字预编码矩阵F

步骤S9：在接收端，由信道矩阵H的前N

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明以全数字预编码为目标，通过逐一构造模拟矢量来构造模拟预编码矩阵，使得最优无约束全数字预编码矩阵可有效的由所构造的模拟矢量线性表示。通过更新残差矩阵，构造的模拟矢量是残差矩阵列空间的主要分量，且满足了模拟预编码的恒模约束条件，克服了人为施加额外约束条件或采取近似推导所导致的频谱效率损失，从而带来了接近全数字无约束预编码的频谱效率，有效解决了全数字预编码方案的高能耗问题。仿真结果表明所提方法能够以相对较低的计算复杂度优于已有方法，能够取得接近无约束全数字预编码方案的频谱效率。

2、在构造模拟矢量的步骤中，本发明通过将待求模拟矢量拆分成两个互补的模拟矢量，采用交替迭代的方法更新待求模拟矢量中的每个元素，从而有效得到了满足约束条件的模拟预编码矢量，同时具有较低的计算复杂度。

3、在逐一构造模拟预编码矢量的过程中，本发明采用类似于匹配追踪(MatchingPursuit，MP)的方法更新残差矩阵，使得最优无约束全数字预编码矩阵可由所构造的模拟预编码矢量线性表示，采用最小二乘法计算对应的数字预编码矩阵，从而使得F

附图说明

图1为毫米波大规模MIMO混合预编码系统框图；

图2为本发明实施的整体流程图；

图3为本发明实施的构造模拟矢量的设计方法流程图；

图4为在N

图5为在N

图6为不同算法随射频链数的频谱效率比较图。

具体实施方式

本发明方法针对的是毫米波大规模MIMO全连接混合架构，采用窄带聚簇信道模型，发送端和接收端配备均匀平面阵列(Uniform PlanarArray，UPA)天线，天线间距设为半波长，假设到达角和离开角的方位角和俯仰角分别服从0,2p和

本实施例中，一种构造模拟矢量的混合预编码设计方法流程图如图2所示，是一种构造模拟矢量的方法，并以此来设计模拟预编码矩阵，包括以下一些步骤：

步骤S0：假设已知信道状态信息，毫米波大规模MIMO系统模型表示为：

式(1)中，

这里采用Saleh-Valenzuela信道模型，在该信道模型下信道矩阵表示为：

式(2)中，N

式(3)中，λ为载波波长，d为天线间距，M和N分别为天线的横向和纵向的索引值。

频谱效率为：

式(4)中，

根据上述信道模型，随机生成信道矩阵H，并对信道矩阵H进行奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)，得到右酉矩阵V；在发送端，取右酉矩阵V的前N

步骤S1：构建如式(5)所示的第一目标函数及其限制条件：

式(5)中，F

步骤S2：采用交替迭代的方法构造模拟矢量；如图3所示。

步骤S21：根据第一目标函数，构建如式(6)所示的第二目标函数及其约束条件：

式(6)中，f为模拟预编码矩阵F

将模拟矢量f表示为f＝f

为求解式(6)，单独优化f的每个元素。在求解f

因此，定义中间矩阵F

步骤S22：初始化m＝1；

步骤S23：在单位模约束下，式(8)的解为：

式(8)中，angle((F

f′

最后对f′

所以，这里利用式(11)更新第i次迭代的列矢量

式(11)中，f

步骤S24：利用式(12)更新第i次迭代的模拟矢量f

式(12)中，

步骤S25：将m+1赋值给m；并重复步骤S23至步骤S25，直至m＝N

步骤S3：利用式(13)对更新后的第i次迭代的模拟矢量f′

式(13)中，

步骤S4：i+1赋值给i，重复步骤S22至步骤S4，直至i＝i max；从而得到最终的模拟矢量f

步骤S5：利用式(14)得到更新后的残差矩阵F

F′

式(14)中，F

式(15)中，

步骤S6：将n+1赋值给n后，重复步骤S2至步骤S6，直至n＝N

步骤S7：采用式(16)所示的最小二乘法计算数字预编码矩阵F

式(16)中，

步骤S8：利用式(17)对数字预编码矩阵F

步骤S9：在接收端，由信道矩阵H的前N

图4是所提构造模拟矢量(ConstructingtheAnologVectors，CAV)预编码方法、MO-AltMin(Manifold Optimization-Alternating Minimization)预编码算法、OMP(Orthogonal Matching Pursuit)预编码算法和最优无约束预编码的频谱效率在N

图6是各算法的频谱效率随射频链变化的仿真，仿真中射频链数等于发送的数据流数，信噪比固定为0dB。从图中可以看出所提CAV算法在整个射频链变化范围均优于其他两个算法，且所提方法性能和最优无约束预编码之间的性能差异是稳定的，这意味着F