一种毫米波通信链路低复杂度混合波束赋形方法及装置与流程

本发明涉及毫米波无线传输技术领域，特别是涉及一种毫米波通信链路低复杂度混合波束赋形方法及装置。

背景技术：

毫米波段非授权频段在未来移动通信中的应用研究成为目前国内外学者通信研究的热点。毫米波因其波长相对较短使得天线阵列的物理尺寸大幅度缩小，基站端可以安装大规模天线，从而可将毫米波系统与大规模天线技术结合起来。在毫米波通信链路中，受能耗和成本等因素的限制，设计合理的波束赋形方案显得尤为重要。传统波束赋形方案主要集中在基带，通过采用全数字波束赋形器对信号进行预处理，从而减小干扰和接收机处理的复杂度。而在毫米波通信链路中，基站天线数高达数十根甚至上百，全数字波束赋形方案已不再适用。为了解决毫米波通信链路中的波束赋形问题，众多混合波束赋形方案陆续被提出。相关研究成果可大致分为两类，一类基于全连接型设计，即每个射频链与所有天线相连。基于全连接型的混合波束赋形算法能够提供较大的天线增益，具有相对较好的系统性能，但复杂度相对较高。另外一类混合波束赋形则基于部分连接型，即每一个射频链与部分天线相连。与全连型相比，部分连接型以牺牲部分天线增益，来换取复杂度的降低，相比基于全连接型混合波束赋形算法，系统性能有所损失。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种毫米波通信链路低复杂度混合波束赋形方法及装置，能够充分利用射频域空间自由度，降低混合波束赋形方法的复杂度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种毫米波通信链路低复杂度混合波束赋形方法，包括以下步骤：

(1)对全数字波束赋形矩阵进行奇异值分解，构造一个初始射频波束赋形矩阵；

(2)在初始射频波束赋形矩阵基础上，利用残差矩阵最大奇异矢量构造的矢量进行更新，得到最终的射频波束赋形矩阵；

(3)利用最小二乘准则得到数字波束赋形矩阵，并进行标准化处理。

所述步骤(1)中对奇异值分解得到的全局最优解中的N_t×N_s列满秩矩阵SV进行处理，具体处理方式为：保留列满秩矩阵SV中全部元素的相位，并强制所有元素的幅度为

所述步骤(2)具体为：对初始射频波束赋形矩阵的第一列进行剔除，利用最小二乘准则求出数字波束赋形矩阵和当前的残差矩阵，对该残差矩阵进行奇异值分解，并将其最大左奇异矢量构造的矢量添加到射频矩阵的最后一列中，形成下次迭代的初始矩阵；经过次迭代，得到最终的射频波束赋形矩阵，其中，与射频波束赋形矩阵的列数相等。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种毫米波通信链路低复杂度混合波束赋形装置，在发送端配置N_t根发射天线和个射频链，并采用上述毫米波通信链路低复杂度混合波束赋形方法对波束进行赋形。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用残差最大左奇异矢量构造射频波束赋形矢量，并通过多次迭代来更新射频波束赋形矩阵，复杂度相对较低。同时无需事先设计候选矢量集合，能够充分利用射频域空间自由度，使系统开销得到有效降低。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，毫米波通信链路发送端配置N_t根发射天线和个射频链，向配备有N_r根天线和个射频链的接收端发送N_s条，发送信号经信道后，在接收端经过射频合并矩阵和数字合并矩阵后，接收信号可表示为：

其中和分别表示射频合并矩阵和数字合并矩阵，有ρ代表平均接收功率，表示服从0均值，协方差矩阵为的噪声矢量，F_BB为数字波束赋形矩阵，s为发送符号矢量和H为信道响应矩阵。

上述的装置采用的毫米波通信链路低复杂度混合波束赋形方法如图2所示，包括以下步骤：

通过对全数字波束赋形矩阵进行奇异值分解，构造一个初始射频波束赋形矩阵。目标函数||F_opt-F_RFF_BB||_F表示最优全数字波束赋形矩阵与实际混合预编码矩阵在限制条件下的欧式距离其中，F_opt表示最优矩阵、F_RF表示射频波束赋形矩阵。初始射频波束赋形矩阵F_RF可通过最优全数字波束赋形矩阵奇异值分解如下：

F_opt＝SVD^H

其中，D为酉矩阵。由于最优矩阵F_opt为信道矩阵右奇异矩阵的前N_s列，所以SV为一N_t×N_s列满秩矩阵，而射频波束赋形矩阵F_RF为于是，为了确定初始射频波束赋形矩阵构造一维矩阵F_R，使其元素的相位在[0,2π)上服从均匀分布。同时，强行限制其幅度为以满足射频波束赋形矩阵元素恒模限制。最优矩阵F_opt具有如下等价的表示：

其中，O为全零矩阵。在无限制条件下，通过对最优矩阵F_opt进行奇异值分解，可得到两个全局最优解：

当考虑射频恒模限制的条件时，由于其中一个全局最优解中SV不满足条件，于是对式中SV部分进行处理，具体处理步骤如下：保留SV中全部元素的相位，强制所有元素的幅度为令经过上述步骤处理后的SV用G表示，即将[G F_R]作为初始射频波束赋形矩阵。

射频波束赋形矩阵基础上，利用残差矩阵最大奇异矢量构造的矢量来更新初始射频波束赋形矩阵。在每次迭代中，首先对初始射频波束赋形矩阵的第一列进行剔除，利用最小二乘准则求出数字波束赋形矩阵和当前的残差矩阵，对该残差矩阵进行奇异值分解，并将其最大左奇异矢量构造的矢量添加到射频矩阵的最后一列中，形成下次迭代的初始矩阵。经过次迭代，得到更新后的射频波束赋形矩阵。最后，再次利用最小二乘准则得到数字波束赋形矩阵，并对其进行标准化处理。具体步骤如下：

step1.k＝1；

step2.剔除初始射频波束赋形矩阵F_RF中第一列：F_RF(:,1)＝[ ]；

step3.利用最小二乘准则得到对应的数字波束赋形矩阵：

step4.计算此时残差矩阵F_res＝F_opt-F_RFF_BB；

step5.对所得的残差矩阵进行奇异值分解：F_res＝USV^H，其中U和V分别表示残差矩阵的左、右奇异矩阵，S表示对角矩阵；

step6.由残差矩阵的最大左奇异矢量U(:,1)形成矢量

step7.令F_RF＝[F_RF n]，将其作为下次迭代的初始射频波束赋形矩阵；

step8.k＝k+1，如果返回step2；否则到step9；

step9.确定最终的射频波束赋形矩阵F_RF后，利用最小二乘准则求出对应的数字波束赋形矩阵F_BB＝pinv(F_RF)F_opt，并对其进行标准化处理，以满足发射功率限制，即：

本方法避免了候选矢量集合设计，只需通过残差矩阵最大奇异矢量构造的矢量来迭代更新射频波束赋形矩阵，从而能够充分利用射频域的空间自由度，并降低了算法复杂度。

不难发现，本发明利用残差最大左奇异矢量构造射频波束赋形矢量，并通过多次迭代来更新射频波束赋形矩阵，复杂度相对较低。同时无需事先设计候选矢量集合，能够充分利用射频域空间自由度，使系统开销得到有效降低。