CN108599830B - 基于最小和均方误差混合预编码方法 - Google Patents

Abstract

平坦莱斯衰落信道中自适应天线阵列系统下的基于最小和均方误差混合预编码方法，涉及天线领域。本发明是为了解决现有的混合预编码方法大部分都是基于固定的全连接天线阵列结构，具有一定的局限性的问题。根据有限波束导向码本中的每一个波束导向向量与信道矩阵，得到对应的等效信道向量，由最大化等效信道增益准则，从有限波束导向码本中选取对应的波束导向向量组成相位矩阵；根据合路器和分路器的数量得到子目标函数值的集合；从该集合中选取最小的一个子目标函数值，用该数值对应的模拟预编码矩阵控制开关；根据模拟预编码矩阵和信道矩阵，获得等效信道的数字最小和均方误差数字预编码矩阵。用于对下行链路中的多用户干扰进行控制。

Description

基于最小和均方误差混合预编码方法

技术领域

本发明涉及一种适用于平坦莱斯衰落信道中自适应天线阵列系统的新混合预编码方法——基于最小和均方误差混合预编码方法，属于天线领域。

背景技术

大规模天线阵列系统的混合预编码技术，由数字预编码和混合预编码两部分组成，可用较低的计算复杂度和较少的射频链路实现，并对下行链路中的多用户干扰进行有效的控制，提升整个系统的性能。

目前关于混合预编码方法的研究大部分都是基于固定的全连接天线阵列结构。基于这类天线阵列结构设计的混合预编码方法具有一定的局限性，即以插入损耗换取信道增益，不能在二者之间取得一个折中，损失了一部分的系统性能。

发明内容

本发明是为了解决现有的混合预编码方法大部分都是基于固定的全连接天线阵列结构，具有一定的局限性的问题。现提供平坦莱斯衰落信道中自适应天线阵列系统下的基于最小和均方误差混合预编码方法。

平坦莱斯衰落信道中自适应天线阵列系统下的基于最小和均方误差混合预编码方法，

在自适应天线阵列系统中的移相器和合路器的连接线路之间设置开关，

所述方法包括以下步骤：

步骤一、设定码本大小，得到有限波束导向码本，将有限波束导向码本中的每一个波束导向向量与信道矩阵相乘，得到对应的等效信道向量，对这些等效信道向量的二范数进行排序，由最大化等效信道增益准则，按照二范数由大到小的顺序依次从有限波束导向码本中选取对应的波束导向向量，选取的波束导向向量总数与分路器数量相同，并由这些波束导向向量组成相位矩阵；

步骤二、根据合路器和分路器的数量，得到初始连接矩阵，不断更新初始连接矩阵，直到达到更新次数停止更新，得到每次更新后的连接矩阵，根据相位矩阵和每次更新后的连接矩阵得到模拟预编码矩阵集合，计算模拟预编码矩阵集合中每个矩阵对应的子目标函数，得到子目标函数值的集合；

步骤三、从子目标函数值的集合中选取最小的一个子目标函数值，用该数值对应的模拟预编码矩阵对开关进行控制，从而改变天线阵列结构；

步骤四、根据模拟预编码矩阵和信道矩阵，获得等效信道的数字最小和均方误差数字预编码矩阵，根据该矩阵将调制数据发送给相应的射频链路，实现对下行链路中的多用户干扰的控制。

本发明的有益效果为：

本发明基于自适应天线阵列结构，根据最小和均方误差准则，分开设计数字预编码部分和模拟预编码部分。数字预编码矩阵设计为等效信道下的数字最小和均方误差预编码矩阵。将模拟预编码部分的矩阵带入系统和均方误差中，可得数字预编码部分的矩阵。模拟预编码矩阵由相位矩阵和连接矩阵决定，相位矩阵中的变量来自有限波束导向码本，而连接矩阵可以通过在有限集合中搜索的方式给出。

大规模天线阵列系统的混合预编码技术，由数字预编码和混合预编码两部分组成，可用较低的计算复杂度和较少的射频链路实现，并对下行链路中的多用户干扰进行有效的控制，提升整个系统的性能。

本发明基于自适应天线阵列结构，设计最小化系统和均方误差的混合预编码方法。该混合预编码方法能够充分利用自适应天线阵列结构的优势，根据信道状况，通过自适应网络动态调整阵列结构，折中等效信道增益和插入损耗，从而大幅度提升系统的有效性和可靠性。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的平坦莱斯衰落信道中自适应天线阵列系统下的基于最小和均方误差混合预编码方法的流程图；

图2为一种具体的自适应阵列结构的混合预编码发射机结构图，图中

是分路器，

是合路器，

是移相器，

是开关；

图3为现有的预编码方法与本申请的预编码方法的平均和速率对比图；

图4为现有的预编码方法与本申请的预编码方法的平均误比特率对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的平坦莱斯衰落信道中自适应天线阵列系统下的基于最小和均方误差混合预编码方法，在自适应天线阵列系统中的移相器和合路器的连接线路之间设置开关，

所述方法包括以下步骤：

步骤一、设定码本大小，得到有限波束导向码本，将有限波束导向码本中的每一个波束导向向量与信道矩阵相乘，得到对应的等效信道向量，对这些等效信道向量的二范数进行排序，由最大化等效信道增益准则，按照二范数由大到小的顺序依次从有限波束导向码本中选取对应的波束导向向量，选取的波束导向向量总数与分路器数量相同，并由这些波束导向向量组成相位矩阵；

步骤二、根据合路器和分路器的数量，得到初始连接矩阵，不断更新初始连接矩阵，直到达到更新次数停止更新，得到每次更新后的连接矩阵，根据相位矩阵和每次更新后的连接矩阵得到模拟预编码矩阵集合，计算模拟预编码矩阵集合中每个矩阵对应的子目标函数，得到子目标函数值的集合；

步骤三、从子目标函数值的集合中选取最小的一个子目标函数值，用该数值对应的模拟预编码矩阵对开关进行控制，从而改变天线阵列结构；

步骤四、根据模拟预编码矩阵和信道矩阵，获得等效信道的数字最小和均方误差数字预编码矩阵，根据该矩阵将调制数据发送给相应的射频链路，实现对下行链路中的多用户干扰的控制。

本实施方式中，本申请适用于大规模天线系统的下行多用户干扰控制，要求信道衰落是平坦的，且每个用户与基站之间存在互不相同的视距路径。每个用户可配备单根或多根天线，但要求独立数据流数和射频链路数相同。

步骤二中，按照一定规则更新连接矩阵。根据每次更新后的连接矩阵和相位矩阵得到模拟预编码矩阵集合。

实施例：

平坦莱斯衰落信道中自适应天线阵列系统下的基于最小和均方误差混合预编码方法，假设：

1)自适应天线阵列的自适应网络由开关网络组成，且只有控制移相器的自适应网络工作。分路器是功率均分的无源器件；

2)基站天线数为N_T，射频链路数为M_T，且独立数据流数为M_T。分路器的数量为M_T，移相器的数量为M_TN_T，合路器的数量为N_T；

3)信号的总功率为P_d，混合预编码的功率约束为P_tr，功放之前所有发射信号的总功率为P_t，噪声的方差为σ²；

4)有限波束导向码本为Γ，码本大小为|Γ|＝2⁴。码本中的波束导向向量为

n∈{1,...,2⁴}。记

5)小尺度衰落信道为平坦莱斯衰落信道，该信道矩阵记为

结合图1的流程图和图2的发射机结构图，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、在某时刻工作的移相器和合路器数量分别为N_P(N_T≤N_P≤N_TM_T)和N_C(0≤N_C≤N_T)，模拟预编码的相位矩阵为

步骤二、初始连接矩阵

为

式中，u_i＝Ones(N_T/M_T,1)和0＝Zeros(N_T/M_T,1)，

子目标函数值的有限集合记为Ω，且|Ω|＝2⁴，第n个数可由下述五步获得：

1)从集合{1,2,...,N_T}中任意选出N_C个数，组成新的集合Π_R。

2)对集合{1,2,...,M_T}任意排序，组成新的集合Π_C。

3)令U＝U⁰，对连接矩阵进行更新。

4)模拟预编码矩阵

为

则Τ(:,:,k)＝F。

5)计算子目标函数值为

则Ω(k)＝μ。

步骤三、从子目标函数值的集合中选取最小的一个子目标函数值，为：

该最小的一个子目标函数值对应的模拟预编码矩阵为：

F＝T(:,:,k^*)。

根据该模拟预编码矩阵对自适应网络中的开关进行控制，调整天线阵列结构；

步骤四、等效信道矩阵

则数字最小和均方误差预编码矩阵W为：

式中，

故混合预编码的结果为模拟预编码矩阵F和数字预编码矩阵W。

仿真时用到的参数设定为N_T＝128，M_T＝8，P_d＝P_tr＝8，N_C＝8，N_P＝149。莱斯因子K设定为5dB。信噪比定义为SNR＝P_d/M_Tσ²。

模拟域所使用器件的插入损耗如表1所示。

表1插入损耗设定

得到的仿真结果如图3和图4所示。

现有采用全连接天线阵列结构的混合预编码方法有：文献[1]、“O.E.Ayach,S.Rajagopal,S.Abu-Surra,Z.Pi and R.W.Heath,“Spatially Sparse Precoding inMillimeter Wave MIMO Systems(毫米波MIMO系统中的空间稀疏预编码),”IEEETrans.Wireless Commun.,vol.13,no.3,pp.1499-1513,Mar.2014.”，文献[2]、“.D.H.N.Nguyen,L.B.Le,T.Le-Ngoc,and R.W.Heath,“Hybrid MMSE precoding andcombining designs for mmWavemultiuser systems,(用于mmWavemultiuser系统的混合MMSE预编码和组合设计)”IEEE Access,vol.5,pp.19167-19181,2017”，这两种方法都是基于全连接天线阵列结构，可以获得最大的等效信道增益，同时也付出了最大插入损耗的代价。由仿真图3和图4可知，本发明所提出的基于自适应天线阵列结构的混合预编码方法在平均和速率和平均误比特率上都要优于文献[1]和文献[2]中中基于全连接天线阵列结构的混合预编码方法。这主要是由于两篇文献中的方法都基于全连接天线阵列结构，可以获得最大的等效信道增益，同时也付出了最大插入损耗的代价。而本发明基于自适应天线阵列结构，综合考虑等效信道增益和插入损耗，在二者之间取得了一个折中，从而在整体上表现更好，获得更好的和速率和误比特率。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的平坦莱斯衰落信道中自适应天线阵列系统下的基于最小和均方误差混合预编码方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中，按照二范数由大到小的顺序依次从有限波束导向码本中选取对应的波束导向向量，选取总数与分路器数量相同，并由这些波束导向向量组成相位矩阵F^F为：

式中，M_T表示分路器数量，N_T表示基站天线数，a_t(θ_i)为对等效信道向量的二范数排序后，第i个二范数对应的波束导向向量，维度为N_T X 1，记为

其中，j为虚数单位，λ为载波波长，d为阵列中相邻天线之间的间距，θ_i为第i个二范数对应的入射角，i＝1…M_T。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的平坦莱斯衰落信道中自适应天线阵列系统下的基于最小和均方误差混合预编码方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中，初始连接矩阵

为：

式中，u_i＝Ones(N_T/M_T,1)，i＝1……M_T，0＝Zeros(N_T/M_T,1)，M_T为分路器的数量，N_T为基站天线的数量，

每个更新后的模拟预编码矩阵

为：

从而得到模拟预编码矩阵集合Τ(:,:,k)＝F，

计算模拟预编码矩阵集合中每个矩阵对应的子目标函数为：

式中，P_tr为混合预编码的功率约束，P_d为信号的总功率，H为平坦莱斯衰落信道矩阵，σ为高斯白噪声的标准差。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的平坦莱斯衰落信道中自适应天线阵列系统下的基于最小和均方误差混合预编码方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中，从子目标函数值的集合中选取最小的一个子目标函数值，用该数值对应的模拟预编码矩阵对开关进行控制，从而改变天线阵列结构的过程为：

从子目标函数值的集合中选取最小的一个子目标函数值：

式中，Ω(k)＝u，Ω为子目标函数集合，

该数值对应的模拟预编码矩阵为：

F＝T(:,:,k^*) 公式6，

根据该矩阵对开关进行控制，从而改变天线阵列结构。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的平坦莱斯衰落信道中自适应天线阵列系统下的基于最小和均方误差混合预编码方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四中，根据模拟预编码部分的矩阵和信道矩阵，获得等效信道的数字最小和均方误差预编码矩阵W为：

式中，

P_tr为混合预编码的功率约束，H为平坦莱斯衰落信道矩阵，P_d为信号的总功率，

为进行功率约束前的数字最小和均方误差预编码矩阵，即

Claims (1)

1.平坦莱斯衰落信道中自适应天线阵列系统下的基于最小和均方误差混合预编码方法，其特征在于，

在自适应天线阵列系统中的移相器和合路器的连接线路之间设置开关，

所述方法包括以下步骤：

步骤一、设定码本大小，得到有限波束导向码本，将有限波束导向码本中的每一个波束导向向量与信道矩阵相乘，得到对应的等效信道向量，对这些等效信道向量的二范数进行排序，由最大化等效信道增益准则，按照二范数由大到小的顺序依次从有限波束导向码本中选取对应的波束导向向量，选取的波束导向向量总数与分路器数量相同，并由这些波束导向向量组成相位矩阵；

步骤二、根据合路器和分路器的数量，得到初始连接矩阵，不断更新初始连接矩阵，直到达到更新次数停止更新，得到每次更新后的连接矩阵，根据相位矩阵和每次更新后的连接矩阵得到模拟预编码矩阵集合，计算模拟预编码矩阵集合中每个矩阵对应的子目标函数，得到子目标函数值的集合；

步骤三、从子目标函数值的集合中选取最小的一个子目标函数值，用该数值对应的模拟预编码矩阵对开关进行控制，从而改变天线阵列结构；

步骤四、根据模拟预编码矩阵和信道矩阵，获得等效信道的数字最小和均方误差数字预编码矩阵，根据该矩阵将调制数据发送给相应的射频链路，实现对下行链路中的多用户干扰的控制；

步骤一中，按照二范数由大到小的顺序依次从有限波束导向码本中选取对应的波束导向向量，选取总数与分路器数量相同，并由这些波束导向向量组成相位矩阵F^F为：

式中，M_T表示分路器数量，N_T表示基站天线数，a_t(θ_i)为对等效信道向量的二范数排序后，第i个二范数对应的波束导向向量，维度为N_T X 1，记为

其中，j为虚数单位，λ为载波波长，d为阵列中相邻天线之间的间距，θ_i为第i个二范数对应的入射角，i＝1…M_T；

步骤二中，初始连接矩阵

为：

式中，u_i＝Ones(N_T/M_T,1)，i＝1……M_T，0＝Zeros(N_T/M_T,1)，M_T为分路器的数量，N_T为基站天线的数量，

每个更新后的模拟预编码矩阵

为：

从而得到模拟预编码矩阵集合F＝Τ(:,:,k)，

计算模拟预编码矩阵集合中每个矩阵对应的子目标函数为：

式中，P_tr为混合预编码的功率约束，P_t为功放之前所有发射信号的总功率，H为平坦莱斯衰落信道矩阵，σ为高斯白噪声的标准差；

步骤三中，从子目标函数值的集合中选取最小的一个子目标函数值，用该数值对应的模拟预编码矩阵对开关进行控制，从而改变天线阵列结构的过程为：

从子目标函数值的集合中选取最小的一个子目标函数值：

式中，Ω为子目标函数集合，

该数值对应的模拟预编码矩阵为：

T(:,:,k^*) 公式6，

根据该矩阵对开关进行控制，从而改变天线阵列结构；

步骤四中，根据模拟预编码部分的矩阵和信道矩阵，获得等效信道的数字最小和均方误差预编码矩阵W为：

式中，

P_tr为混合预编码的功率约束，H为平坦莱斯衰落信道矩阵，P_d为信号的总功率，

为进行功率约束前的数字最小和均方误差预编码矩阵，即

σ²为噪声的方差。

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