基于动态连接结构的混合预编码方法及MIMO系统技术方案

本发明专利技术公开了基于动态连接结构的混合预编码方法及MIMO系统，属于无线通信技术领域。本发明专利技术基于动态连接结构，设计毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码，将原始预编码设计问题转化为开关连接网络配置和混合预编码矩阵设计两个子问题，联合采用交替元素优化和动态索引选择算法优化设计模拟预编码矩阵、移相器网络矩阵、数字预编码矩阵、开关连接网络矩阵，从而实现动态网络连接结构的优化，减少了APS的数量以降低功耗，并且使系统频谱效率性能得到了提高，在大规模MIMO系统中可以获得较好的系统性能。系统性能。系统性能。

【技术实现步骤摘要】
基于动态连接结构的混合预编码方法及MIMO系统


[0001]本专利技术涉及基于动态连接结构的混合预编码方法及MIMO系统，属于无线通信


技术介绍

[0002]作为第五代移动通信技术的关键技术之一，毫米波大规模MIMO技术具有高数据传输速率、高可靠性的显著优势。传统的MIMO系统中，发送端通过数字预编码技术预先消除各数据流之间的部分或全部干扰，获得更好的频谱效率性能。但针对大规模MIMO系统，天线阵列规模大幅度增加，若采用传统全数字预编码技术，则需要大量的射频链，增加了硬件设计难度和设计成本。研究者将由移相器(Analog Phase Shifter，APS)实现的模拟预编码技术应用到大规模MIMO系统中，提出了将低维数字预编码技术和高维模拟预编码技术相结合的混合预编码结构，在减少射频链路硬件损耗的同时能够充分利用大规模天线阵列带来的增益。
[0003]混合预编码结构可分为全连接(Full
‑
connected Architecture，FC)和子连接(Sub
‑
connected architecture，SC)两种结构。在全连接结构中，每个射频链通过大量的APS实现与所有天线的连接，以获得全部波束成形增益，实现与最佳无约束预编码(Optimal Unconstrained Algorithm，OPT)近似的频谱效率性能，该方案硬件功耗很高。在子连接结构中，全部天线被分为多个天线集，每个射频链仅与一个固定的天线集相连，虽然该结构所需APS数量减少，降低了硬件功耗，但牺牲了一定的系统性能。
[0004]结合两种结构的优势，有学者通过设计连接结构及相适应的混合预编码算法，以更少的APS实现与全连接结构相同的频谱效率性能，从而降低了硬件功率消耗，但目前的算法仅适用于某种或某一类特定结构，因此需要进一步设计更具灵活性的混合预编码结构以适应大规模MIMO信道状态，并设计可应用于多种结构中的混合预编码算法，提高系统频谱效率性能，从而平衡系统功率消耗与频率效率性能。

技术实现思路

[0005]为了解决目前毫米波大规模MIMO系统的预编码设计过程中，对于混合预编码连接结构的功耗高及频谱效率性能低的问题，本专利技术提供了一种基于动态连接结构的MIMO混合预编码方法，所述MIMO系统中，在发射端，包含N
s
个数据流的发射信号经数字预编码处理后，通过条射频链传输至由开关连接网络和移相器网络构成的模拟预编码模块进行模拟预编码，所述开关连接网络用于在每个射频链与每根发射天线间设置一个开关，以控制射频链与天线间的连接状态；
[0006]经模拟预编码处理后，将数据流映射到N
t
根发射天线上，并发送至加噪信道进行数据传输，接收端通过N
r
根接收天线接收数据，经混合合并处理得到接收信号r，实现多路径的数据流传输；
[0007]表示模拟预编码矩阵，为移相器网络矩阵，满足恒模约束条件约束条件表示开关连接矩阵，其中F
SW
(i,j)＝1或0分别表示开关的闭合或打开状态，即第j个射频链与第i根天线相连或不相连，表示数字预编码矩阵，总发送功率满足数字预编码矩阵，总发送功率满足为信道噪声矢量，是噪声功率；
[0008]所述方法包括如下步骤：
[0009]步骤一：给定所述开关连接网络矩阵F
SW
，将最大化系统频谱效率问题转化为对模拟预编码矩阵F
RF
的优化；
[0010]步骤二：采用交替元素优化算法逐列优化所述模拟预编码矩阵F
RF
中非零项的相位，实现模拟预编码矩阵F
RF
的更新；
[0011]步骤三：对等效信道进行奇异值分解，其中，表示信道矩阵，W
opt
是最优合并矩阵，所述数字预编码矩阵F
BB
由右奇异值矩阵得到；
[0012]步骤四：根据所述模拟预编码矩阵F
RF
和公式F
RF
＝F
PS
⊙
F
SW
更新所述移相器网络矩阵F
PS
；
[0013]步骤五：设定每个射频链与M根发射天线相连，采用动态索引选择算法配置所述开关连接矩阵F
SW
；
[0014]步骤六：重复执行步骤二至步骤四，实现模拟预编码矩阵F
RF
、数字预编码矩阵F
BB
、移相器网络矩阵F
PS
的更新；
[0015]步骤七：对于目标频谱效率R
t
，对M不同取值情况下，重复上述步骤，选择使得系统的频谱效率R≥R
t
的最小M，从而实现系统功耗的降低。
[0016]可选的，所述步骤一包括：
[0017]所述接收信号r为：
[0018][0019]其中，ρ为平均发射功率，表示信道矩阵，W
opt
是最优合并矩阵，通过信道矩阵的奇异值分解H＝UΣV
H
得到，即W
opt
＝U(:,1:N
s
)；
[0020]将高斯信号作为发射信号s，则系统频谱效率为：
[0021][0022]式中为噪声协方差矩阵；
[0023]给定开关连接矩阵F
SW
，当数字预编码矩阵F
BB
由等效信道奇异值分解得到时，问题进一步转化为求解：
[0024][0025]其中，s
j,m
表示第m根发射天线与第j个射频链连接；
[0026]求解公式(3)：
[0027][0028]其中，f
j
表示所述模拟预编码矩阵F
RF
的第j列，表示除f
j
之外的剩余列，且有之外的剩余列，且有ξ为极小值。
[0029]可选的，所述步骤二包括：
[0030]令为最大化公式(4)式第二项，则有：
[0031][0032]从公式(5)可以看出，若更新F
RF
(s
j,m
,j)，仅前两项与F
RF
(s
j,m
,j)有关，第三项不涉及F
RF
(s
j,m
,j)，第四项为一个等于的常量，故最大化式(5)可转化为对前两项的最大化，F
RF
(s
j,m
,j)相位最优解为：
[0033][0034]其中，是F
RF
(s
j,m
,j)的相位，即f
j
中其他非零量相位更新方法相同，同理优化模拟预编码矩阵F
RF
所有列向量。
[0035]可选的，所述步骤五包括：
[0036]设每根射频链与M根发射天线相连，则开关连接矩阵F
SW
可由公式(7)设计：
[0037][本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动态连接结构的MIMO系统混合预编码方法，其特征在于，所述MIMO系统中，在发射端，包含N
s
个数据流的发射信号经数字预编码处理后，通过条射频链传输至由开关连接网络和移相器网络构成的模拟预编码模块进行模拟预编码，所述开关连接网络用于在每个射频链与每根发射天线间设置一个开关，以控制射频链与天线间的连接状态；经模拟预编码处理后，将数据流映射到N
t
根发射天线上，并发送至加噪信道进行数据传输，接收端通过N
r
根接收天线接收数据，经混合合并处理得到接收信号r，实现多路径的数据流传输；表示模拟预编码矩阵，为移相器网络矩阵，满足恒模约束条件表示开关连接矩阵，其中F
SW
(i,j)＝1或0分别表示开关的闭合或打开状态，即第j个射频链与第i根天线相连或不相连，表示数字预编码矩阵，总发送功率满足为信道噪声矢量，是噪声功率；所述方法包括如下步骤：步骤一：给定所述开关连接网络矩阵F
SW
，将最大化系统频谱效率问题转化为对模拟预编码矩阵F
RF
的优化；步骤二：采用交替元素优化算法逐列优化所述模拟预编码矩阵F
RF
中非零项的相位，实现所述模拟预编码矩阵F
RF
的更新；步骤三：对等效信道进行奇异值分解，其中，表示信道矩阵，W
opt
是最优合并矩阵，所述数字预编码矩阵F
BB
由右奇异值矩阵得到；步骤四：根据所述模拟预编码矩阵F
RF
和公式F
RF
＝F
PS
⊙
F
SW
更新所述移相器网络矩阵F
PS
；步骤五：设定每个射频链与M根发射天线相连，采用动态索引选择算法配置所述开关连接矩阵F
SW
；步骤六：重复执行步骤二至步骤四，实现模拟预编码矩阵F
RF
、数字预编码矩阵F
BB
、移相器网络矩阵F
PS
的更新；步骤七：对于目标频谱效率R
t
，对M不同取值情况下，重复上述步骤，选择使得系统的频谱效率R≥R
t
的最小M。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一包括：所述接收信号r为：其中，ρ为平均发射功率，表示信道矩阵，W
opt
是最优合并矩阵，通过信道矩阵的奇异值分解H＝UΣV
H
得到，即W
opt
＝U(:,1:N
s
)；将高斯信号作为发射信号s，则系统频谱效率为：
式中为噪声协方差矩阵；给定开关连接矩阵F
SW
，当数字预编码矩阵F
BB
由等效信道奇异值分解得到，问题进一步转化为求解：其中，s
j,m
表示第m根发射天线与第j个射频链连接；求解公式(3)：其中，f
j
表示所述模拟预编码矩阵F
RF
的第j列，表示除f
j
之外的剩余列，且有之外的剩余列，且有ξ为极小值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤二包括：令为最大化公式(4)式第二项，则有：
从公式(5)可以看出，若更新F
RF
(s
j,m
,j)，仅前两项与F
RF
(s
j,m
,j)有关，第三项不涉及F
RF
(s
j,m
,j)，第四项为一个等于的常量，故最大化公式(5)可转化为对前两项的最大化，F
RF
(s
j,m
,j)相位最优解为：其中，是F
RF
(s
j,m
,j)的相位，即f
j
中其他非零量相位更新方法相同，同理优化模拟预编码矩阵F
RF
所有列向量。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤五包括：设每根射频链与M根发射天线相连，则开关连接矩阵F
SW
由公式(7)设计：其中，F
opt
＝V(:,1:N
s
)，V为信道矩阵H的右奇异值矩阵；将公式(7)进一步转化为：将公式(7)进一步转化为：将公式(7)进一步转化为：其中，表示复数的实部，tr(
·
)表示矩阵的迹，表示开关连接矩阵第j列的l0范数；令则有：
其中，分别表示Γ、F
PS
、F
SW
的第j列；则公式(7)中F
SW
的优化问题为：的优化问题为：w
ij
、γ
ij
、p
ij
分别表示w
j
、γ
j
、p
j
的第i个元素；为获得足够大的波束成形增益，进一步设计开关矩阵，确保每根发射天线至少与一个射频链相连；针对第j个射频链，降序排列i的顺序构成K
j
；为使所有发射天线与一个或多个射频链连接，首先从K
j
中选择前个索引i构成S
j
，且j
′
≠j，从K
j
中删除已选索引，从剩余K
j
中另选个索引i构成S
j
，根据所得S
j
，更新开关连接矩阵F
SW
。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤七中还包括：系统总功耗为：其中，P
BB
、P
RF
、P
PS
、P
SW
分别表示数字预编码、每个射频链、移相器、开关的功耗；给定目标频谱效率R
t
，对于每个射频链所连接的移相器数量M的不同，计算实现的频谱效率R，使R≥R
t
，选择最小的M取值。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：李正权，李树梅，张鹏强，袁月，李锋，
申请(专利权)人：江苏省未来网络创新研究院中铁三局集团电务工程有限公司，
类型：发明
国别省市：