本發(fā)明屬于無線通信系統(tǒng)中波束賦形(包括預(yù)編碼和合并接收)方案的設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種在大規(guī)模mimo中的低復(fù)雜度的混合波束賦形迭代設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

大規(guī)模mimo技術(shù)通過在基站端配備數(shù)目趨于無窮大的天線陣列，可使系統(tǒng)的頻譜效率和可靠性得到極大的提升。為了充分利用大規(guī)mimo的性能增益，有效的預(yù)編碼技術(shù)顯得尤為重要。傳統(tǒng)預(yù)編碼需要每根天線與一條特定的射頻鏈路(rf)相連，考慮到射頻成本高、能耗大，而大規(guī)模mimo系統(tǒng)中天線數(shù)目往往達到成百上千根，因此不可能為每根天線配備特定的射頻鏈路，這導致傳統(tǒng)的預(yù)編碼方案不再適用。那么研究可以利用少量rf驅(qū)動大規(guī)模天線陣列以挖掘大規(guī)模mimo的增益的預(yù)編碼方案就變得非常的有意義。混合預(yù)編碼可以利用移相器將每條射頻與所有的天線或者一個天線子集相連接，有效地解決了射頻與天線數(shù)目不匹配的問題，又可以在發(fā)送相同數(shù)據(jù)流數(shù)時獲得與全數(shù)字預(yù)編碼(需要與天線相同數(shù)量的射頻)相近的性能，因此成為大規(guī)模mimo系統(tǒng)重要的預(yù)編碼備選方案?；旌项A(yù)編碼，即在射頻端利用低成本的移相器控制發(fā)射天線上信號的相位，實現(xiàn)模擬預(yù)編碼，既降低了硬件成本，又減少系統(tǒng)所需的射頻數(shù)量；在基帶處利用等效低維度的信道狀態(tài)信息(csi)控制信號的幅度和相位，實現(xiàn)數(shù)字預(yù)編碼，進一步提高信號處理的精度。預(yù)編碼需要基站已知準確信道狀態(tài)信息或者部分信道狀態(tài)信息才能獲取較優(yōu)的性能，然而在大規(guī)模mimo系統(tǒng)中信道矩陣維度很大，受相干時間的限制，不能夠發(fā)送足夠的導頻準確估計所有天線上的信道狀態(tài)信息。此外，實際的大規(guī)模mimo系統(tǒng)配備的射頻數(shù)量要遠遠少于天線數(shù)目，這使得基站想要獲取所有天線上的信道狀態(tài)信息變得更加困難。這是因為在混合波束賦形(混合預(yù)編碼/混合合并接收)架構(gòu)中，信道狀態(tài)信息與模擬預(yù)編碼和模擬合并接收矩陣糾纏在一起(本發(fā)明將之稱為等效信道)，使得準確的原始信道狀態(tài)信息獲取更加困難。因此有必要研究不完善信道狀態(tài)信息下的混合預(yù)編碼方案的設(shè)計。目前，針對不完善信道狀態(tài)信息下的混合預(yù)編碼設(shè)計主要有兩類思想：第一類，利用信道統(tǒng)計信息設(shè)計模擬預(yù)編碼，利用等效低維度的信道狀態(tài)信息設(shè)計數(shù)字預(yù)編碼矩陣；第二類：基于波束碼本搜索設(shè)計模擬預(yù)編碼與接收合并矩陣，然后利用等效低維度的信道狀態(tài)信息設(shè)計數(shù)字預(yù)編碼矩陣。二者的不同主要體現(xiàn)在模擬預(yù)編碼和接收矩陣的設(shè)計。第一類方案需要準確的用戶正交分組，保持不同用戶組的信道相關(guān)矩陣的特征矢量相互正交，這使得該類算法每次服務(wù)的用戶數(shù)有限。第二類通過波束搜索從碼本中選取模擬波束賦形矩陣，可以避免準確信道估計，但只在單徑信道場景下可以取得很好的性能。

在當前針對毫米波大規(guī)模mimo的混合波束賦形設(shè)計的研究大多是基于收發(fā)兩端可以準確獲知信道狀態(tài)信息的，然而這在實際系統(tǒng)是不現(xiàn)實的。一方面信道矩陣維度很大，受相干時間的限制，不能夠發(fā)送足夠的導頻準確估計所有天線上的信道狀態(tài)信息。另一方面，信道估計是在基帶處理的，而在毫米波大規(guī)模mimo系統(tǒng)采用混合波束賦形(混合預(yù)編碼/混合合并接收)架構(gòu)，因此基帶處估計得到是信道狀態(tài)信息與模擬預(yù)編碼和模擬合并接收矩陣糾纏在一起的等效信道。獲取準確的原始信道狀態(tài)信息變得更加困難。

綜上所述，研究低開銷低復(fù)雜度的混合波束賦形方案是很有必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種低復(fù)雜度的混合波束賦形迭代設(shè)計方法。

為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)。

一種低復(fù)雜度的混合波束賦形迭代設(shè)計方法，包括以下步驟：

1)模擬波束賦形：

第一步，從相應(yīng)維度的dft網(wǎng)絡(luò)中隨機選取一組矢量，初始化模擬預(yù)編碼矩陣和模擬合并接收矩陣；

第二步，固定模擬預(yù)編碼矩陣和模擬合并接收矩陣，接收端估計等效信道，然后利用其恢復(fù)高維度的接收端等效信道；

第三步，固定模擬預(yù)編碼矩陣，接收端利用恢復(fù)的高維度接收端等效信道更新模擬合并接收矩陣，然后更新并反饋等效信道；

第四步，發(fā)射端利用等效信道恢復(fù)高維度的發(fā)射端等效信道；

第五步，固定模擬合并接收矩陣，利用恢復(fù)高維度的發(fā)射端等效信道更新模擬預(yù)編碼矩陣；

重復(fù)第二步至第五步，直至算法收斂；

2)數(shù)字波束賦形的設(shè)計：

第一步，根據(jù)確定的模擬波束賦形矩陣，計算等效信道；

第二步，利用奇異值分解方法計算數(shù)字預(yù)編碼矩陣和數(shù)字合并接收矩陣，并利用灌水法進行功率分配。

本發(fā)明進一步的改進在于，當為毫米波大規(guī)模mimo下行傳輸系統(tǒng)時，基站用nt根發(fā)射天線，條射頻發(fā)送信號，用戶用nr根接收天線，條射頻接收信號，即收發(fā)兩端都采用混合波束賦形框架結(jié)構(gòu)；frf是基站射頻端模擬預(yù)編碼矩陣，fbb是基帶處的數(shù)字預(yù)編碼矩陣；wrf是模擬合并矩陣，wbb表示數(shù)字合并接收矩陣，假定毫米波信道是窄帶慢衰落信道；

步驟1)的具體實現(xiàn)方法如下：

第一步，初始化：從dft矩陣隨機選取列作為初始的從dft矩陣隨機選取列作為初始的令迭代次數(shù)k＝0；

第二步，給定和接收端估計等效信道令然后計算

第三步，固定模擬預(yù)編碼矩陣更新模擬合并接收矩陣，即令然后利用更新并將其反饋給發(fā)送端；

第四步，發(fā)送端利用獲得的等效信道恢復(fù)發(fā)送端等效信道，即令然后計算

第五步，固定模擬合并接收矩陣更新模擬預(yù)編碼矩陣，即令

k←k+1；重復(fù)第二步到第五步，直至算法收斂。

本發(fā)明進一步的改進在于，步驟2)的具體實現(xiàn)方法如下：

第一步，計算等效信道

第二步，等效信道heff進行奇異值分解獲得數(shù)字預(yù)編碼矩陣，即則最優(yōu)的數(shù)字預(yù)編碼矩陣其中ns表示數(shù)據(jù)流數(shù)，對角陣λ表示灌水功率分配矩陣；最優(yōu)的數(shù)字接收合并矩陣

本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明在現(xiàn)有l(wèi)te系統(tǒng)(8×8mimo)相同的射頻和信令開銷的情況下，僅通過增加天線數(shù)目，就獲得了明顯的性能提升。雖然與稀疏波束賦形方案相比有較大的性能差距，但是我們僅僅需要估計等效低維度的信道狀態(tài)信息，大大降低了系統(tǒng)的成本和信令開銷，更加適用于實際系統(tǒng)。

進一步，在步驟1)中，將模擬波束賦形矩陣與實際信道結(jié)合為等效低維信道，并以此設(shè)計發(fā)射端和接收端模擬波束賦形矩陣的迭代更新方式，從而達到改善等效信道質(zhì)量、提升系統(tǒng)性能的目標。通過利用等效低維信道而不是高維度的實際信道信息設(shè)計模擬波束賦形矩陣，本發(fā)明顯著地降低系統(tǒng)的成本和信令開銷。在步驟2)中，在得到等效信道后，我們利用經(jīng)典的奇異值分解的方法計算得到數(shù)字波束賦形矩陣，進一步提升了信號處理的精確度，提升了系統(tǒng)的性能。

下面結(jié)合仿真結(jié)果，對本發(fā)明的效果作進一步的說明。

考慮基站天線數(shù)nt＝64，射頻數(shù)數(shù)據(jù)流數(shù)ns＝4，用戶天線數(shù)nr＝16，射頻數(shù)圖中各個仿真點均進行了1000次獨立的仿真。

將本發(fā)明與傳統(tǒng)全數(shù)字波束賦形方案(64根射頻，完整的信道狀態(tài)信息下)以及考慮了毫米波信道的稀疏特性的基稀疏波束賦形方案(完整的信道狀態(tài)信息下)進行比較。圖2驗證了所提算法的收斂性；圖3給出了不同信噪比下各個方案的頻譜效率對比圖，雖然本發(fā)明方案與全數(shù)字波束賦形以及稀疏波束賦形方案性能有較大差距，但是本發(fā)明所提方案需要的射頻數(shù)量少，且只需要估計低維度(8×8)的信道狀態(tài)信息，而稀疏波束賦形方案需要估計高維度(64×16)的信道狀態(tài)信息。結(jié)合表1可以看出，所提方案需要信令開銷遠遠小于稀疏波束賦形方案，更適合信道估計能力有限的系統(tǒng)，如pre-5g系統(tǒng)。而與同樣開銷的傳統(tǒng)8×8mimo相比，所提方案有大幅度的性能提升。

附圖說明

圖1為毫米波大規(guī)模mimo系統(tǒng)框圖；

圖2為所提方案的頻譜效率隨迭代次數(shù)的變化圖(snr＝6db)；

圖3為不同信噪比下各方案的頻譜效率對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述：

本發(fā)明提出的低復(fù)雜度混合波束賦形迭代設(shè)計方案，其主要思路是：將混合波束賦形設(shè)計過程分為模擬兩個階段。第一階段：在收發(fā)端迭代設(shè)計模擬預(yù)編碼和模擬合并接收矩陣；第一階段：在確定模擬預(yù)編碼和模擬合并接收矩陣后，在數(shù)字域根據(jù)等效信道設(shè)計數(shù)字預(yù)編碼和數(shù)字合并接收矩陣。

具體實施方案如下：

考慮一個下行毫米波大規(guī)模mimo系統(tǒng)，基站用nt根天線，條射頻發(fā)送信號，用戶用nr根天線，條射頻接收信號，即收發(fā)兩端都采用混合波束賦形框架結(jié)構(gòu)。frf是基站射頻端模擬預(yù)編碼矩陣，fbb是基帶處的數(shù)字預(yù)編碼矩陣。本發(fā)明假定毫米波信道是窄帶慢衰落信道。接收信號被模擬接收合并矩陣和數(shù)字合并矩陣處理后，可表示為

其中，wrf是模擬合并矩陣，它和模擬預(yù)編碼一樣，由移相器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，因此它的所有元素幅度相同，wbb表示數(shù)字合并接收矩陣。表示加性高斯白噪聲，服從均值為0，方差為的高斯分布。

由式(1)可得系統(tǒng)的頻譜效率可以表示為：

其中，表示接收端噪聲的協(xié)方差矩陣。

根據(jù)上述模型，本發(fā)明的目標是尋找最優(yōu)的混合預(yù)編碼矩陣和混合接收矩陣，從而最大化系統(tǒng)的頻譜效率。該問題可以描述為如下所示數(shù)學優(yōu)化問題：

其中，是模擬預(yù)編碼的可行集，即一組所有元素幅度都相同的矩陣集，是模擬合并接收的可行集，即一組所有元素幅度都相同的矩陣集。

經(jīng)過模擬域與數(shù)字域解耦合后，系統(tǒng)可達的頻譜效率可表示為

式中，表示經(jīng)過模擬合并矩陣后噪聲的協(xié)方差矩陣，是為了將模擬預(yù)編碼和數(shù)字預(yù)編碼解功率耦合做的變量代換。

定義上式的目標是尋求一對(wrf,frf)來最大化等效信道的容量，則上式可以進一步表示為

由jensen不等式，本發(fā)明可以將優(yōu)化問題(6)松弛為

基于上述理論推導，本發(fā)明提出的低復(fù)雜度混合波束賦形迭代設(shè)計方案如下：

1)模擬預(yù)編碼矩陣與模擬合并接收矩陣的迭代設(shè)計

第一步，初始化：從dft矩陣隨機選取列作為初始的從dft矩陣隨機選取列作為初始的令迭代次數(shù)k＝0；

第二步，給定和接收端估計等效信道令然后計算

第三步，固定模擬預(yù)編碼矩陣更新模擬合并接收矩陣，即令然后利用更新并將其反饋給發(fā)送端；

第四步，發(fā)送端利用獲得的等效信道恢復(fù)發(fā)送端等效信道，即令然后計算

第五步，固定模擬合并接收矩陣更新模擬預(yù)編碼矩陣，即令

k←k+1；重復(fù)第一步至第五步，直至算法收斂。

2)數(shù)字預(yù)編碼矩陣與數(shù)字合并接收矩陣的設(shè)計

第一步，計算等效信道

第二步，等效信道heff進行奇異值分解獲得數(shù)字預(yù)編碼矩陣，即則最優(yōu)的數(shù)字預(yù)編碼矩陣其中ns表示數(shù)據(jù)流數(shù)，對角陣λ的對角元素表示分配給每個數(shù)據(jù)流的功率，可由灌水算法獲得，其第s個數(shù)據(jù)流上對應(yīng)的功率可表示為ρs，其滿足

其中μ滿足最優(yōu)的數(shù)字接收合并矩陣由等效信道heff最大奇異值對應(yīng)的左奇異矩陣前ns個列矢量構(gòu)成，即

表1不同方案需要的射頻鏈路數(shù)和信令開銷對比。