一种在毫米波MIMO系统中基于分层设计的迭代混合预编码方法与流程

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及在毫米波mimo中基于分层设计的迭代混合预编码方法。

背景技术：

随着移动智能终端的不断进步和移动互联网的飞速发展，人们对无线网络容量的需求与日俱增。为了满足人们对移动互联网及其业务环境的需求，下一代移动通信技术(5g)将致力于构架一个无处不在，万物互联的全方位信息生态系统，并以智能化的方式促进社会经济体的转型，提高国家的生产力及可持续发展性。相比于上一代移动通信系统(4g)，5g需要适用于更多场景，并且给用户提供更为极致的体验。2017年11月10日，我国在国际上率先发布5g系统在3000-5000mhz的中频段内频率使用规划，同时指出5g系统也需要在高频段(24ghz以上毫米波频段)和低频段(3000mhz以下频段)工作，以满足用户对高性能的追求。在这样的背景下，具有丰富频谱资源的毫米波频段逐渐成为了业界人们关注的焦点。

然而，严重的路径损耗成为毫米波通信研究中亟待解决的问题。好在毫米波波长较短，相应的天线单元可以在较小的空间内密集排列，从而组成大规模天线阵列，因此可以利用大规模天线形成的波束增益来对抗毫米波频段严重的路径损耗，同时也可利用基于大规模天线的预编码技术来提高系统的频谱效率。在传统的mimo系统中，全数字预编码是在基带部分由数字编码器完成的，经过编码的数据流会通过射频链转换成射频模拟信号并由天线进行发射。在这种结构下，需要为每根天线都配备一条射频链，系统才能够正常工作。当天线数目较少时，这种结构能够有效地利用数字预编码来获得波束赋形增益。但是，在毫米波通信系统中，天线数量大幅增加，如果依旧采用数字预编码的处理方式，所需的射频链数量也会明显增加，从而导致系统的能量消耗和硬件成本过高。因此，在毫米波系统中提出了混合预编码结构，用以解决上述问题。在此方案中，混合预编码可以利用较少的射频链将经由数字预编码处理的信号转换成模拟信号并传输给模拟编码器进行进一步处理，以形成可传输的基带发射信号，从而完成混合预编码的过程。

对现有混合预编码研究成果检索发现，诸多相关文献均指出混合预编码是毫米波通信的关键技术之一。事实上，混合预编码问题的关键在于解决模拟预编码矩阵非凸的优化问题。因此，混合预编码需要重点研究的是在恒模约束下，如何设计模拟预编码矩阵的问题。omarelayach等在2014年ieeetransactiononwirelesscommunications上发表的spatiallysparseprecodinginmillimeterwavemimosystems率先将混合预编码的问题等效为欧氏距离最小优化问题，提出了基于阵列响应向量的正交匹配追踪算法，使之简化了带有恒模约束的混合预编码设计方案。虽然该算法可以获得较好的系统性能，但由于算法中的求逆运算，使得实现复杂度比较高。wei-lunhung，husseinseleem，j.chen等人进一步研究了基于码本的低复杂度混合预编码算法，在这些算法中，模拟部分的设计是根据预先设定的码本完成的，如阵列响应码本，dft码本等。除了基于码本的算法外，启发式混合预编码算法也是研究的重要方向之一。xianghaoyu等在2016年的ieeejournalofselectedtopicsinsignalprocessing上发表的alternatingminimizationalgorithmsforhybridprecodinginmillimeterwavemimosystems中根据模拟预编码问题中的恒模约束定义了相应的黎曼流形，提出了基于共轭梯度法的混合预编码算法，然而其搜索过程仍导致了较高的复杂度。第二种部分连接结构，即每个射频链只与部分天线相连接。xinyugao等在2016年ieeejournalonselectedareasincommunications发表energy-efficienthybridanaloganddigitalprecodingformmwavemimosystemswithlargeantennaarrays根据多用户信号检测技术的思想，提出了基于连续干扰抵消的混合预编码算法。该算法中假设数字预编码矩阵为对角矩阵且只提供功率分配，因此会导致一定的系统性能损失。

技术实现要素：

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于分层设计的迭代混合预编码方法，旨在解决在毫米波mimo系统中，利用混合预编码技术提高系统频谱效率的问题。

为解决上述问题，本发明提供了如下技术方案：

一种在毫米波mimo系统中基于分层设计的迭代混合预编码方法，包括以下步骤：

步骤一.建立毫米波系统的混合预编码问题模型；

步骤二.引入分层设计的思想，对数模混合预编码进行设计；

步骤三.假设已知最优的模拟预编码，设计数字预编码以进一步提高系统的频谱效率；

步骤四.提出迭代求解的设计策略，并推导出模拟预编码的近似最优解闭式解；

步骤五.输出最优的数字预编码和模拟预编码矩阵。

本发明实施例采用的技术方案还包括：在所述的步骤一中的混合预编码模型为：

上述公式中，frf分别表示模拟预编码。fbb表示数字预编码。因为模拟预编码是通过移相器实现的，因此必须满足恒模的约束，即|frf(i,j)|＝1。此外，表示发射端的功率约束，ns为数据流数。

本发明实施例采用的技术方案还包括：所述的步骤二中，引入分层设计的思想，设计毫米波混合预编码。具体来说，首先假设已知模拟预编码，设计数字预编码。其次，基于已求得的数字预编码，设计模拟预编码矩阵。

本发明实施例采用的技术方案还包括：所述的步骤三中，假设已知模拟预编码，设计数字预编码以提高系统的频谱效率。为了进一步简化混合预编码的设计，并在功率约束下解耦数字和模拟预编码，我们假设其中虚拟变量，则数字预编码的设计可表示为：

式中，被定义为一个等效信道矩阵。由于上式仅有一个变量，我们可以利用注水算法求得虚拟变量

其中，ve表示等效信道矩阵的右奇异矩阵的前ns列。pe表示对角矩阵，其对角元素是为每条数据流所分配的功率。因此，数字预编码矩阵可表示为：

本发明实施例采用的技术方案还包括：所述步骤四中，提出迭代求解的设计策略，并推导出模拟预编码的近似最优解闭式解。根据已有文献中的结论，当天线数趋于无穷大时，模拟预编码器满足因此，在射频链的数量等于数据流数的情况下，最优的数字预编码矩阵满足相应的模拟预编码设计可表示为：

上式中由于frf的列排列不会改变的结果，因此可以将重写为

式中，(frf)-j为frf除去第j列fj后的子矩阵。因此，模拟预编码的设计可进一步化简为：

式中，我们定义为辅助矩阵。如果选取合适的初始矩阵frf并且假设(frf)-j是固定的，我们可以将模拟预编码优化问题分解为一系列子问题，且第j个子问题可表示为：

上式可进一步化简为：

我们定义一个中间矩阵上式的主函数可简化为

式中fj(-i)表示除去fj的第i个元素fj(i)的的向量。mj(-i,-i)表示除去矩阵mj第i行第i列元素的子矩阵。根据上式，对于fj(i)的设计可表示为：

因此，关于fj(i)的最优闭式解可表示为：

式中，对于任意的复变量x，有

因此，基于fj(i)的最优解，我们利用迭代的方法可求得最优的模拟预编码矩阵。

本发明实施例采用的技术方案还包括：在所述的步骤四中，输出数字预编码fbb和模拟预编码frf。

附图说明

图1是本发明实施例的毫米波mimo系统中混合预编码结构框图；

图2是本发明实施例的流程图；

图3是本发明实施例基于窄带信道下的性能仿真结果对比示意图；

图4是本发明实施例基于宽带信道下的性能仿真结果对比示意图；

图5是本发明实施例的基于迭代次数仿真结果示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解为，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明实施例采用混合结构的毫米波mimo系统，天线的结构是共享式的天线结构。发送端有个射频链数，nt根天线；接收端有个射频链数，nr根天线，发送端和接收端通过ns个数据流进行通信，三者的关系是：如图1所示。

实施例一：首先针对窄带信道，对毫米波混合预编码设计的应用原理进行描述。

为了解决毫米波mimo系统中混合预编码问题，我们设计了一种基于分层设计的迭代混合预编码方法，该实施案例的流程图如图2所示。包括以下步骤：

步骤一.建立毫米波系统的混合预编码问题模型；

步骤二.引入分层设计的思想，对数模混合预编码进行设计；

步骤三.假设已知最优的模拟预编码，设计数字预编码以进一步提高系统的频谱效率；

步骤四.提出迭代求解的设计策略，并推导出模拟预编码的近似最优解闭式解；

步骤五.输出最优的数字预编码和模拟预编码矩阵。

步骤一，基于窄带信道模型建立毫米波混合预编码问题模型，其目标函数为:

上述公式中，frf分别表示模拟预编码。fbb表示数字预编码。因为模拟预编码是通过移相器实现的，因此必须满足恒模的约束，即|frf(i,j)|＝1。此外，表示发射端的功率约束，ns为数据流数。

步骤二，引入分层设计的思想，设计毫米波混合预编码。具体来说，首先假设已知模拟预编码，设计数字预编码。其次，基于已求得的数字预编码，设计模拟预编码矩阵。

步骤三，假设模拟预编码已知，设计数字预编码以提高系统的频谱效率。为了进一步简化混合预编码的设计，并在功率约束下解耦数字和模拟预编码，我们假设其中虚拟变量，则数字预编码的设计可表示为：

式中，被定义为一个等效信道矩阵。由于上式仅有一个变量，我们可以利用注水算法求得虚拟变量

其中，ve表示等效信道矩阵的右奇异矩阵的前ns列。pe表示对角矩阵，其对角元素是为每条数据流所分配的功率。因此，数字预编码矩阵可表示为：

步骤四，利用迭代求解的策略设计，并推导出模拟预编码的近似最优解闭式解。根据已有文献中的结论，当天线数趋于无穷大时，模拟预编码器满足因此，在射频链的数量等于数据流数的情况下，最优的数字预编码矩阵满足相应的模拟预编码设计可表示为：

上式中由于frf的列排列不会改变的结果，因此可以将重写为

式中，(frf)-j为frf除去第j列fj后的子矩阵。因此，模拟预编码的设计可进一步化简为：

式中，我们定义为辅助矩阵。如果选取合适的初始矩阵frf并且假设(frf)-j是固定的，我们可以将模拟预编码优化问题分解为一系列子问题，且第j个子问题可表示为：

上式可进一步化简为：

我们定义一个中间矩阵上式的主函数可简化为：

式中fj(-i)表示除去fj的第i个元素fj(i)的的向量。mj(-i,-i)表示除去矩阵mj第i行第i列元素的子矩阵。根据上式，对于fj(i)的设计可表示为：

因此，关于fj(i)的最优闭式解可表示为：

式中，对于任意的复变量x，有

因此，基于fj(i)的最优解，我们利用迭代的方法可求得最优的模拟预编码矩阵。

步骤五，在毫米波mimo系统中，输出数字预编码fbb和模拟预编码frf。

实施例二：在宽带信道情况下，对上述毫米波混合预编码设计方案的应用原理进行进一步的描述。具体步骤与实施例一相同。

步骤一，基于宽带信道模型建立毫米波混合预编码问题模型，其目标函数为:

式中，表示第k个载波上的传输速率。

步骤二，引入分层设计的思想，设计基于宽带信道混合预编码。具体来说，首先假设模拟预编码已知，设计数字预编码。其次，基于已求得的数字预编码，设计模拟预编码矩阵。

步骤三，假设模拟预编码已知，设计数字预编码以提高系统的频谱效率，则数字预编码的设计可表示为：

与实施例一采用相同的方法，可得出数字预编码的最优解：

步骤四，提出迭代求解的设计策略，并推导出模拟预编码的近似最优解闭式解。相应的模拟预编码设计问题为：

上式主函数可化简为：

式中，(b)是根据jensen不等式得出。

与实施例一采用相同的方法，可得出模拟字预编码的最优解：

步骤五，在毫米波mimo系统中，输出数字预编码fbb和模拟预编码frf。

下面结合仿真结果，对本发明的应用效果进行详细描述。

1)仿真条件

本发明采用大规模mimo系统，收发两端均采用面阵，发射端天线数为nt＝144，接收端天线数为nr＝36。发射端的射频链数和接收端的射频链数均为本文采用簇信道模型，且假设信道模型为ncl＝10簇，每个簇里面有nray＝5条径，且离开角和到达角服从[0,2π]上的均匀分布，取值连续。为了公平起见，对所有预编码解决方案执行相同的总功率约束。信噪比定义为

2)仿真内容和结论

本发明实施例的混合预编码方法，采用分层设计的思路，简化了混合预编码的设计，提高了系统的频谱效率。此外，本发明所提出的方法可以应用于窄带和宽带信道模型中。为了降低毫米波mimo系统的硬件成本，我们假设射频链的数量等于数据流的数量。其中，如图3所示，基于窄带信道模型的情况下，我们分别仿真了最优数字预编码方法和omp算法，并将这两种算法的性能作为系统性能的上下基线。为了更清晰的表示出我们的算法可以实现更接近最优性能，我们还仿真了现有的pe-altmin算法作为对比。此外，如图4所示，在宽带信道的情况下，我们也仿真了本发明混合预编码方法可实现的系统性能。在图5中，我们基于迭代次数衡量了本发明方法的收敛性，仿真结果显示本发明方法收敛速度很快。

以上详细描述了本发明的具体实施例。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是符合与本文的原理和新颖特点相一致的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。