CN106253956A - 基于码本的模数混合预编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于码本的模数混合预编码方法，该方法通过使用模拟码字训练可以有效地获得等效信道信息，进而将模拟码字选择与数字预编码的NP难的优化问题转换为稀疏数字预编码的优化问题，并根据优化后的数字预编码矩阵，映射各链路的模拟预编码码字，最终实现模拟预编码和数字预编码的混合预编码。本发明可以获得接近最优的系统性能，降低系统复杂度及提升能源效率，保证系统的可实现性。

Description

基于码本的模数混合预编码方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于码本的模数混合预编码方法。
背景技术
为了满足移动数据的快速增长，未来无线通信系统需要进一步提高系统容量和保证用户的QoS(Quality of Service)要求。由于毫米波(Millimeter wave)拥有大的带宽，毫米波通信已经成为未来5G无线通信系统中具有开发潜力的技术。
在毫米波通信系统中，高速率和高质量的通信可以通过波束成型技术实现。为了消除信号之间的干扰，传统多输入多输出通信系统采用基带波束成型技术，且每根发射天线均需链接昂贵的射频(Radio Frequency，RF)链路。在拥有大规模天线的毫米波系统中，数字预编码的应用会带来高的能量消耗和硬件复杂度。为了解决成本问题和实现更大的波束成型增益，混合波束成型技术在毫米波系统中得到了广泛的应用。数字波束成型可以保证系统的性能，模拟波束成型的波束增益可以解决能量消耗和减小硬件复杂度。
混合预编码技术已经得到广泛的研究，目前大部分混合预编码技术大致分成两类，一类是需要全部信道信息，这在毫米波实际系统中往往不可能实现；另一类是通过两阶段优化模拟预编码和数字预编码。本发明提出一种新型的混合预编码方法，可以联合设计数字和模拟预编码，通过引入模拟码字选择矩阵，原来的模拟码字选择与数字预编码的联合优化问题可以转换为稀疏数字预编码问题。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，通过提出一种基于码本的模数混合预编码方法，该方法通过使用模拟码字训练可以有效地获得等效信道信息，进而基于等效信道信息将传统模拟数字预编码的混合优化转换为优化稀疏数字预编码问题，从而获得接近最优的系统性能，降低系统复杂度及提升能源效率，保证系统的可实现性。
技术方案：本发明的系统架构为：由M根发射天线和S根射频链路数组成的模数混合的混合型架构，其中每根射频链路与M个相位器相连且M相移器中的每个相移器经合成器与一根发射天线相连；接收节点为单天线的全向接收架构。本发明首先通过对模拟码本的码字依次进行信道训练得到等效信道系数；然后引入码字选择矩阵将模拟预编码与数字预编码GBB∈CS×K的优化转换为优化模拟码字选择及稀疏数字预编码，其中，K表示接收节点数，表示幅度为常数的M×S维的模拟波束空间，CS×K表示S×K复数波束矩阵。
则本发明所述的基于码本的模数混合预编码方法包括：
(1)生成模拟域码本其中，表示幅度为常数的M×N维的模拟波束空间；
(2)发射节点依次对生成的模拟域码本FCB中的码字进行模拟域波束训练，通过信道传输至接收节点；
(3)接收节点将经信道传输后的码字信息反馈至发射节点；
(4)发射节点根据经信道传输后的码字信息生成等效信道系数矩阵
(5)基于等效信道系数矩阵根据预设性能指标优化设计预编码矩阵其中需要满足附加约束式中，表示向量的零范数，即向量中的非零元素的个数， 表示矩阵的第m行，S表示射频链路数目；
(6)对于得到的预编码矩阵获取其各行的范数并判断是否为0，将范数不为0的行号集合记为其中m1≤…≤mL，L表示预编码矩阵中范数不为零的总行数；
(7)分别将码字映射到第l条射频链路所对应的相移网络器，用于第l条射频链路的模拟预编码，当S-L≥1时第L+1条至第S条射频链路及相应的相移器关闭，作为第l条射频链路所对应的数字预编码向量，用于第l条射频链路的数字预编码。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明通过使用模拟码字训练可以有效地获得等效信道信息，进而将模拟码字选择与数字预编码的NP难的优化问题转换为稀疏数字预编码的优化问题，并根据优化后的数字预编码矩阵，映射各链路的模拟预编码码字，最终实现模拟预编码和数字预编码的混合预编码。本发明可以获得接近最优的系统性能，降低系统复杂度及提升能源效率，保证系统的可实现性。
附图说明
图1是MISO的系统框图；
图2是经本发明的方法转化后的等效系统框图。
具体实施方式
应用场景：一个下行多用户MISO(Multiple Input Single Output)系统，其中基站采用混合架构，带有M根天线，S个射频链路，服务于K个用户，用户节点配置单根全向接收天线，如图1所示。
优化目标：可以是任意的效用函数或是费用函数及其对应的约束，这里取发射功率最小化作为优化目标，满足的约束是保证用户服务质量(quality of service，QoS)需求，其数学表达式为
其中，表示模拟域预编码矩阵；
表示数字域预编码矩阵；
表示数字预编码矩阵GBB的第k列；
表示基站与协作用户k之间的信道系数矢量；
σ2表示噪声方差；
表示用户k的目标信干噪比；
表示集合；
表示幅度为常数的M×S维的模拟波束空间。
为了解决上述优化问题，采用基于码本的模数混合预编码方法，具体包括以下步骤：
S1、生成模拟域码本其中，表示幅度为常数的M×N维的模拟波束空间。
S2、发射节点依次对生成的模拟域码本FCB中的码字fi进行模拟域波束训练，通过信道传输至接收节点，i＝1,…,N。
S3、接收节点将经信道传输后的码字信息反馈至发射节点。
其中，hk表示第k个用户的实际物理信道，fi表示第FCB的第i个码字，K表示接收节点数，上标H表示复数共扼转置运算。
S4、发射节点根据经信道传输后的码字信息生成等效信道系数矩阵
该步骤具体包括：接收节点依次接收经信道传输后的码字信息 根据码字信息计算得到等道信道系数和等效信道系数矩阵
S5、基于等效信道为满足一定QoS要求的最小化发射功率，优化设计其中需要满足附加约束式中，表示向量的零范数，即向量中的非零元素的个数， 表示矩阵的第m行。
本步骤将基于实际物理信道矩阵HH设计模数混合预编码FRFGBB∈CM×K的原问题，转化成基于等效信道系数矩阵设计稀疏数字预编码问题：
其中， 表示矩阵的第k列。
S6、对于得到的预编码矩阵获取其各行的范数判断是否为0，并将范数不为0的行号集合记为其中m1≤…≤mL，L表示预编码矩阵中范数不为零的总行数。
当预编码矩阵的第m行的范数不等于零时，选择FCB的第m个码字；当的第m行的范数等于零时，不选择FCB的第m个码字，因此，选出的码字集合为
S7、分别将码字映射到第l条射频链路所对应的相移网络器，用于第l条射频链路的模拟预编码，当S-L≥1时第L+1条至第S条射频链路及相应的相移器关闭，作为第l条射频链路所对应的数字预编码向量，用于第l条射频链路的数字预编码。
图2所示的是采用本发明转换之后的等效系统框图，每一个码字被视为一个天线(虚拟)，进行每一链路的模拟预编码，作为第l条射频链路所对应的数字预编码向量，进行射频链路的数字预编码。

Claims (2)

1.一种基于码本的模数混合预编码方法，其特征在于该方法包括：
生成模拟域码本其中，表示幅度为常数的M×N维的模拟波束空间；
发射节点依次对生成的模拟域码本FCB中的码字进行模拟域波束训练，通过信道传输至接收节点；
接收节点将经信道传输后的码字信息反馈至发射节点；
发射节点根据经信道传输后的码字信息生成等效信道系数矩阵
基于等效信道系数矩阵根据预设性能指标优化设计预编码矩阵其中需要满足附加约束式中，表示向量的零范数，即向量中的非零元素的个数， 表示矩阵的第m行，S表示射频链路数目；
对于得到的预编码矩阵获取其各行的范数并判断是否为0，将范数不为0的行号集合记为其中m1≤…≤mL，L表示预编码矩阵中范数不为零的总行数；
分别将码字映射到第l条射频链路所对应的相移网络器，用于第l条射频链路的模拟预编码，当S-L≥1时第L+1条至第S条射频链路及相应的相移器关闭，作为第l条射频链路所对应的数字预编码向量，用于第l条射频链路的数字预编码。
2.根据权利要求1所述的基于码本的模数混合预编码方法，其特征在于：所述发射节点根据经信道传输后的码字信息生成等效信道系数矩阵具体包括：
接收节点依次接收经信道传输后的码字信息其中，i＝1,…,N，k＝1,…,K，hk表示第k个用户的实际物理信道，fi表示第FCB的第i个码字，K表示接收节点数，上标H表示复数共扼转置运算；
根据码字信息计算得到等道信道系数和等效信道系数矩阵
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