分离型数模混合收发通信系统中的模拟波束矢量优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种分离型数模混合收发通信系统中的模拟波束矢量优化方法，在分离型数模混合收发通信系统中，利用干扰对齐思想提出一种优化模拟波束矢量的迭代算法，通过此迭代算法根据信道的互易特性交替优化接收端每一个子阵列的波束矢量和发射端每一个子阵列的波束矢量，直到每一个子阵列的干扰的变化小于某给定的阈值。该迭代算法具有收敛速度快、计算量小、复杂度低等优点，可以实现子阵列之间干扰对齐，通过干扰对齐可以减小子阵列之间干扰，进而提高系统的频谱效率，改善系统性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，涉及到毫米波(Millimeterwave)多输入多输出(MultipleInputMultipleOutput，MIMO)分离型数模混合收发通信系统中模拟波束矢量优化方法。
技术介绍
随着通信技术的不断发展，无线通信设备接入量和用户对数据速率的需求也不断增加，拥有高频段的毫米波和MIMO系统结合可以实现传输速率和频谱效率的提高。毫米波MIMO通信系统受到了全球人的关注，掀起了全球移动通信领域新一轮的技术竞争。为了实现移动互联网的快速发展和业务支撑能力的提升，5G引入先进的多址接入技术、多天线技术、编码调制技术、新波束设计技术等无线传输技术以及采用灵活的网络架构和组网技术等无线网络技术，同时，毫米波频段成为新一代通信技术中最具有发展前景的频段。在毫米波MIMO通信系统中，为了提高系统传输速率，实现高质量通信，波束成型技术成为了关注的热点。在传统MIMO通信系统中，在基带采用数字波束成型技术，然而一根天线与一个射频(RadioFrequency，RF)链路连接，随着天线数的增加，所需要成本也在增加。在模拟域使用廉价相移器构成的模拟波束成型可以大大减少成本，但是因为相移器本身的限制条件使得性能受到一定的影响，因此使得如何更好地设计模拟波束成型具有了更大的价值。
技术实现思路
专利技术目的：在现有的波束成型技术中，大部分都是基于传输速率或者接收功率来确定数字域波束成型或者模拟域波束成型。本专利技术目的在于提出了一种分离型数模混合收发通信系统中的模拟波束矢量优化方法，在分离型数模混合收发通信系统中，利用干扰对齐思想提出一种优化模拟波束矢量的迭代算法，该迭代算法具有收敛速度快、计算量小、复杂度低等优点。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：分离型数模混合收发通信系统中的模拟波束矢量优化方法，该方法利用干扰对齐思想，基于初始的模拟预编码矩阵和模拟合成矩阵，以最小化接收干扰为目标，根据信道的互易特性交替优化接收端每一个子阵列的波束矢量和发射端每一个子阵列的波束矢量，直到每一个子阵列干扰的变化小于某给定的阈值，进而可得到最终的模拟预编码矩阵和模拟合成矩阵。为了更好理解本专利技术的技术方案，首先介绍一下上述方法中涉及的分离型数模混合收发通信系统中的预编码矩阵和合成矩阵。在分离型数模混合收发通信系统中，一个射频链路与一个天线子阵列相连接，一根天线与一个相移器连接。模拟预编码器由相移器实现，也就是说模拟预编码矩阵FR元素需要满足幅度为常数的约束条件,FR可表示如下：(公式1)其中FR的维度为N×NRF，NRF为发射端射频链路数，N为总的发射天线数，N=Σi=1NRFNti,]]>为第i个发射天线子阵列上天线数，fi=1N[ejθi,1,ejθi,2,...,ejθi,Nti,]T]]>为第i个子阵列的的波束控制矢量，θi,l表示第i个子阵列的第l根天线的相位角，T表示转置。类似地，模拟合成矩阵与发射端模拟预编码矩阵表达方式相同，模拟合成矩阵GR表示如下：(公式2)其中GR为M×NRF的矩阵，NRF表示接收端射频链路数，为总的接收天线数，为第k个接收子阵列上天线数，表示第k个子阵列上维度为的波束控制矢量，表示第k个子阵列的第l根天线的相位角。本专利技术方法中的对接收端每一个子阵列的波束矢量进行优化的具体方法为：对于给定发射端RF预编码矩阵，以接收端第k个子阵列收到发射端第i个子阵列的信号能量最小为目标，i≠k，以接收端第k个子阵列的波束控制矢量的幅度为常数为约束条件，对接收端的第k个子阵列进行相移器的相位矢量迭代更新。为了降低发射端的第i(i≠k)个子阵列对接收端的第k个子阵列的干扰，通过优化第k个子阵列的波束方向来使其接收到的干扰信号最小化，即(公式3)其中Hk,i表示接收端的第k个子阵列和发射端的第i个子阵列之间的信道，维度为为接收端的第k个子阵列的相移器的相位矢量，H表示共轭转置。通过观察(公式3)，可以把目标函数转化为下式(公式4)其中是一个Hermitian半正定矩阵，gk(l)表示列矢量gk的第l个元素，表示矩阵第(l，l)个元素，表示gk取出第l个元素后维度为的列矢量，表示矩阵的第l列去除第l个元素后的列矢量,表示矩阵去除第l行和第l列后的矩阵，表示取实部。从(公式4)可以看出，第k个子阵列的第l个天线元素的相位角只与(公式4)中的第三项有关。另外，gk中元素还受到幅度为常数约束条件，于是gk中的每一个元素需要满足最优条件gk(l)=1Mej(angle((H→k(-l)(:,l)H)gk(-l))-π)]]>(公式5)其中angle表示取角度值。对于给定发射端RF预编码矩阵FR，同时对接收端的子阵列进行相移器的相位矢量更新，求解接收端第k个子阵列的相移器相位矢量的具体方法为：步骤1：初始gk，τ＝0，χτ＝0；步骤2：依次更新每根接收天线的相位：其中，l=1,2,...,Nrk;]]>步骤3:把gk代入公式求得χτ+1；步骤4：如果|χτ+1-χτ|≤ε，则获得接收端的第k个子阵列的相移器相位矢量并停止迭代，否则τ＝τ+1，继续步骤2。其中，τ、χτ、ε分别表示迭代次数、目标函数和迭代终止阈值。类似地，本专利技术方法中的对发射端每一个子阵列的波束矢量进行优化的具体方法为：对于给定接收端RF合成矩阵，以发射端第i个子阵列收到接收端第k个子阵列的信号能量最小为目标，k≠i，以发射端第i个子阵列的波束控制矢量的幅度为常数为约束条件，对发射端的第i个子阵列进行相移器的相位矢量迭代更新。根据信道的互易特性，利用干扰对齐可以表示出发射端的第i个子阵列的波束方向优化函数minθifiHΣk≠iNRFHk,iHgkgkHHk,ifi]]>(公式6)同样上式可以表示成(公式4)类似的表达式(公式7)其中是一个Hermitian半正定矩阵，fi(l)表示列矢量fi的第l个元素，表示矩阵第(l，l)个元素，表示fi取出第l个元素后维度为的列矢量，表示矩阵的第l列去除第l个元素后的列矢量,表示矩阵去除第l行和第l列后的矩阵。易知，fi中每一个元素需要满足的最优条件为：fi(l)=1Nej(angle((H←i(-l)(:,l)H)fi(-l))本文档来自技高网...

【技术保护点】
分离型数模混合收发通信系统中的模拟波束矢量优化方法，其特征在于，该方法基于初始的模拟预编码矩阵和模拟合成矩阵，以最小化接收干扰为目标，优化接收端每一个子阵列的波束矢量和发射端每一个子阵列的波束矢量，直到每一个子阵列的干扰的变化小于给定的阈值，得到最终的模拟预编码矩阵和模拟合成矩阵。

【技术特征摘要】
1.分离型数模混合收发通信系统中的模拟波束矢量优化方法，其特征在于，
该方法基于初始的模拟预编码矩阵和模拟合成矩阵，以最小化接收干扰为目标，优
化接收端每一个子阵列的波束矢量和发射端每一个子阵列的波束矢量，直到每一
个子阵列的干扰的变化小于给定的阈值，得到最终的模拟预编码矩阵和模拟合成
矩阵。
2.根据权利要求1所述的分离型数模混合收发通信系统中的模拟波束矢量
优化方法，其特征在于，所述方法中的优化接收端每一个子阵列的波束矢量为：
对于给定发射端RF预编码矩阵，以接收端第k个子阵列收到发射端第i个子阵
列的信号能量最小为目标，i≠k，以接收端第k个子阵列的波束控制矢量的幅度
为常数为约束条件，对接收端的第k个子阵列进行相移器的相位矢量迭代更新。
3.根据权利要求2所述的分离型数模混合收发通信系统中的模拟波束矢量
优化方法，其特征在于，所述目标表示为：
minθkgkHΣi≠kNRFHk,ififiHHk,iHgk]]>(公式3)
其中Hk,i表示接收端的第k个子阵列和发射端的第i个子阵列之间的信道，fi为发
射端的第i个子阵列的波束控制矢量，gk为接收端的第k个子阵列的波束控制矢
量，NRF为发射端射频链路数，θk为接收端的第k个子阵列的相移器的相位矢量，
H表示共轭转置。
4.根据权利要求3所述的分离型数模混合收发通信系统中的模拟波束矢量
优化方法，其特征在于，gk中的每一个元素的计算公式为：
gk(l)=1Mej(angle((H→k(-l)(:,l)H)gk(-l))-π)]]>(公式5)
其中,M为接收端总接收天线数，angle表示取角度值，表示矩阵的
第l列去除第l个元素后的列矢量，表示gk去除第l个元素后的列矢量。
5.根据权利要求4所述的分离型数模混合收发通信系统中的模拟波束矢量
优化方法，其特征在于，迭代求解更新接收端第k个子阵列的相移器相位矢量的
具体步骤包括：
步骤1：初始迭代参数，包括gk，迭代次数τ＝0，目标函数值χτ＝0以及迭
代终止阈值ε；
步骤2：根据公式依次更新接收端第k个子
阵列的每根接收天线的相位，其中，l＝1,2，…，为第k个接收子阵列上
的天线数；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：何世文，欧飞飞，叶日平，黄永明，杨绿溪，洪伟，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32