CN108809396B - 低分辨率移相器的天线选择与模拟波束成形联合设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于低分辨率移相器的天线选择与模拟波束成形联合设计方法。这一联合设计方法的主要思路为：在第一阶段首先松弛天线选择的限制，考虑所有天线都被使用的情况，求得模拟波束成形的中间量；在第二阶段，在所得模拟波束成形中间量的基础之上，重新加入天线选择这一条件，将原始问题转化为一较容易处理的选择问题，最终实现天线选择和模拟波束成形的联合设计。通过上述两个阶段，在最大程度上优化了空间效率与能量效率。本发明基于分集简化的思想，带来的有益效果还在于，在有效保持通信系统的性能且节约成本的同时，具有易于实现，计算复杂度低的特点。

Description

低分辨率移相器的天线选择与模拟波束成形联合设计方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种适用于低分辨率移相器的天线选择与模拟波束成形联合设计方法。

背景技术

近十年来，随着无线设备和大流量数据设备的广泛推广使用，使得移动数据流量呈指数型增长，在极大程度上促进了无线通信技术的发展。特别地，在 30-300GHz频段工作的毫米波通信，以其能够在当前无线网络中提供更大数量级的带宽，而被认为是一种极具发展潜力的通讯解决方案。大规模天线阵列在毫米波系统中的使用，克服了毫米波信道路径损耗严重问题，同时为了保证波束成形增益。毫米波段的微小波长使得将大规模天线阵列封装成较小尺寸成为可能，因此其更进一步地促进了大规模天线阵列的推广应用。然而，由于硬件成本和功耗巨大，在毫米波段的通信中无法为每个天线提供独立的RF链，因此在毫米波通信中使用全数字预编码现阶段还不能够实现。

为了在减少全数字预编码所需RF链数量的同时保持性能优势，使用基于移相器的模拟波束成形成为一种有效的替代方案。大多数现有的模拟预编码方案采用高分辨率移相器，而在毫米波频段下此类移相器往往具有显著的能量损耗和极高的硬件复杂度，极大限制了在毫米波段采用高分辨率移项器的可推广性，相较而言使用低分辨率的移相器则更为实用。但如何使用低分辨率移相器实现较为精确的波束控制仍是一个公认的难题。因此，对于基于低分辨率移相器的模拟波束成形技术的探索成为领域内一个重要的研究方向。

在过去的几年中，许多研究成果都论证了在发射机或接收机端采用部分天线在空间效率和能量效率方面的优势，这启发我们在模拟波束成形中采用天线选择来补偿低分辨率移相器引起的精度损失。

在传统的全数字波束成形方案中，天线选择已经有了较为深入的研究基础，但与模拟波束成形架构的结合相对而言仍是一个新的研究课题。现有技术中Zhai Xiongfei等人(参见文献：X.Zhai,Y.Cai,Q.Shi,M.Zhao,G.Y.Li,and B.Champagne,Jointtransceiver design with antenna selection for large-scale MU-MIMO mmWavesystems[J].IEEE J.Sel.Areas Commun.,第35卷,第9期, pp.2085-2096,2017.)联合设计了混合波束成形器和天线选择矩阵以最大化大规模多用户多入多出(MU-MIMO)上行毫米波通信系统的总速率。在求解的过程中，原始的非凸问题被转化为三个子问题，通过交替优化方法迭代求解。 Husbands等人(参见文献：R.Husbands,Q.Ahmed,and J.Wang,Transmitantenna selection for massive MIMO:A knapsack problem formulation[C].inProc.IEEE Int.Conf.Commun.(ICC),Paris,France,2017,pp.1-6.)将基于毫米波MIMO 的发射天线选择和模拟波束成形联合设计模拟为一个背包问题，并提出了一个局部最优解方案。

然而，现有的将天线选择与模拟波束成形联合起来的设计方案中均采用连续相位的移相器，并未涉及到应用低分辨率移相器的情况，针对于此，需要设计新的方法来进一步考虑低分辨率移相器的应用。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是要提供一种适用于低分辨率移相器的天线选择与模拟波束成形联合设计方法，本发明旨在选择最优的天线个数并设计相应的模拟波束成形向量以使系统空间效率最大。

本发明通过以下技术方案实现：

种适用于低分辨率移相器的天线选择与模拟波束成形联合设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、根据松弛天线选择的限制条件，在不考虑天线选择的情况下，以使空间效率最大为目标，采用迭代方法求得模拟波束成形中间向量

步骤S2、在得到的模拟波束成形向量

的基础上，考虑天线选择，从N_t个天线中选择M个最优的天线以进一步优化空间效率，进而求得最终的模拟波束成形向量f_RF。

通过上述技术方案，本发明公开了一种适用于低分辨率移相器的天线选择与模拟波束成形联合设计方法。这一联合设计方法的主要思路为：在第一阶段首先松弛天线选择的限制，考虑所有天线都被使用的情况，求得模拟波束成形的中间量；在第二阶段，在所得模拟波束成形中间量的基础之上，重新加入天线选择这一条件，将原始问题转化为一较容易处理的选择问题，最终实现天线选择和模拟波束成形的联合设计。通过上述两个阶段，在最大程度上优化了空间效率与能量效率。本发明基于分集简化的思想，带来的有益效果还在于，在有效保持通信系统的性能且节约成本的同时，具有易于实现，计算复杂度低的特点。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明设计方法流程图；

图2为本发明中基本的窄带毫米波MISO系统示意图；

图3为本发明中方法的示意图；

图4为本发明中系统性能对比SNR仿真图；

图5为本发明中系统性能对比发送端天线总数仿真图；

图6为本发明中系统性能对比发送端所选天线数仿真图。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示：本发明公开了一种适用于低分辨率移相器的天线选择与波束成形联合设计方法，其特征在于，包括：

步骤S1、根据松弛天线选择的限制条件，在不考虑天线选择的情况下，以使空间效率最大为目标，采用迭代方法求得模拟波束成形中间向量

具体包括：

根据以下公式计算模拟波束成形中间向量

其中，h表示信道信息已知的毫米波信道，H表示对向量进行共轭转置变换，F代表每个移相器的取值集合且

其中M表示移相器的个数，B表示移相器的分辨率。所述移相器的幅值固定为

且其相位取值由分辨率B决定。

步骤S2、在得到的模拟波束成形向量

的基础上，考虑天线选择，从N_t个天线中选择M个最优的天线，进一步以使空间效率最大为目标进行优化，进而求得最终的模拟波束成形向量f_RF。具体包括：

步骤S201、将空间效率优化集合S初始化为空集，根据所得模拟波束成形中间向量

计算对应的空间效率α_i,i＝1,2,...,N_t，寻找空间效率模值最大的一项并将其下标存入集合S中；

步骤S202、在剩余项中选取一α_j，使得|∑_l∈Sα_l|最大，将此项对应下标存入集合S中，并更新集合S；

步骤S203、在空间效率集合中提出所选取的项，防止重复选择影响结果；

步骤S204、反复执行S2与S3，直至从空间效率集合α_i,i＝1,2,...,N_t中选择一定个数的项，进而使空间效率优化集合S中元素的个数满足设计要求；

步骤S205、根据所得集合S将向量

中对应下标元素值保留，其余元素置0，得到最终的模拟波束成形向量f_RF，即：

下述以具体实施例对本发明所述方案作进一步说明及论证：

如图2-6所示为本发明适用的基于模拟波束成形和天线选择结构的窄带毫米波MISO通信系统，本系统在发射端配备了M个低分辨率移相器，采用模拟波束成形架构，通过从N_t个天线中选择M个天线来发送信号(N_t<M)。本系统中适用的移相器有以下特征：幅度固定为

且其相位取值由分辨率B 决定，每个移相器的可能取值可表示为

本发明的目的在于：考虑移相器的幅度和相位取值的限制条件，在N_t个天线中选择M 个最优的天线，并设计相应的模拟波束成型向量，以尽可能优化空间效率。

本系统中在发射端配备多根天线，接收端为单天线用户，信号经过无限空间进行传输。假设发射端与接收端间的信道信息已知，设窄带多径毫米波信道为h，模拟波束成形向量为f_RF，那么求解f_RF需满足：

1)模拟波束成形向量f_RF的取值范围包含集合F与0值(0值表示对应天线没有被选择)；

2)向量f_RF中有M个非零元素。

待定方程可表示为：

f_RF＝argmax|h^Hf_RF|

||f_RF||₀＝M

显而易见，此问题是一非凸问题，由于移相器幅度和相位的限制，直接求解具有很大难度。在本方法中，为了简化这一难题，我们将其转化为两个子问题：

1)基于低分辨率移相器的模拟波束成形设计；

2)天线选择问题。

在第一阶段(即步骤S1)，不考虑天线选择，以最大化空间效率为目的设计基于低分辨率移相器的模拟波束成形中间向量

随后在第二阶段(即步骤S2)，在得到

的基础上考虑天线选择，从N_t个天线中选择M个最优的天线以进一步优化空间效率，求得最终的模拟波束成形向量f_RF。

对于上述问题，具体的设计方法包括以下步骤：

S1：首先松弛天线选择的限制条件，假设RF链通过N_t个移相器连接所有的天线，在这种情况下求得模拟波束成形向量

在不考虑天线选择的情况下，该设计步骤的主要目标可以归纳为如下的目标方程：

具体地，由于信道h与波束成形向量

的取值均为复数，我们将从复平面的角度考虑此问题。信道h与波束成形向量

中的每个元素在复平面中都可表示为一二维向量，由于移相器的幅度恒定，

的实质为对h中的每一二维向量进行一定角度的旋转。设

表示信道h中第i个元素的共轭，为最大化空间效率，信道h经移相器调整角度后的值α_i的方向应尽可能集中。因此，将信道h的每一二维向量旋转到[0,2π/2^B]范围内，即让α_i落在[0,2π/2^B]范围内，即可求得对应的

为了更清晰地描述这一方法，图3 中展示了此方法的核心思想。

S2：在得到向量

的基础上，重新考虑天线选择这一条件。此时问题可等效为：确定一包含M个元素的集合S，从α_i,i＝1,...,N_t中选择M个值使得|∑_i∈Sα_i| 最大，集合S用来记录所选择天线的对应位置。在得到S后更新向量

求得最终的模拟波束成形向量f_RF。

在得到向量

的基础上，考虑天线选择并求解最终的模拟波束成形向量 f_RF的具体步骤如下：

S201：首先，根据所得向量

计算α_i,i＝1，...，N_t的值，S初始化为空集。在α_i,i＝1,...,N_t中寻找模值最大的一项并记为α，则α满足：

α＝max|α_i|.

将此最大值所对应下标存入集合S中；

S202：在剩余项中选取一α_j，并更新集合S，将此项对应下标存入集合S 中，使得|∑_i∈Sα_i|最大；

S203：将所选取的项移除，以防止在之后的步骤中重复选取而影响结果；

S204：重复执行S202与S203，依次从α_i,α_i,i＝1,...,N_t的N_t-1个值中选取 M-1个值，直到集合S中存有M个元素；

S205：根据所得集合S将向量

中对应下标元素值保留，其余元素置0，得到最终的模拟波束成形向量f_RF。因此结果可表示为：

上述技术方案可以实现提升系统空间效率的目的。

为了证明上述技术方案的可行性，表1所给出了系统参数配置下的通信系统仿真结果。图4中展示了在使用低分辨率(B＝1,2,3)移相器的情况下系统空间效率与信噪比(SNR)间的关系。由图可知，上述技术方案的性能优于无天线选择的模拟波束成形系统性能，且使用3-bit移相器的性能已接近使用连续相位移相器的性能。特别地，在使用1-bit移相器地情况下，在高SNR(20dB)处，系统性能的提升高达2dB。图5所示为空间效率与天线总数的关系分析结果。仿真结果再次验证了上述方案的优越性能。另外，系统空间效率随发送端总天线数的增大而增长，这将为天线的选择提供更多灵活性。图6分析了系统空间效率与选择的天线数的关系。当总天线数固定，上述技术方案与天线选择的模拟波束成形系统的性能差距随着所选天线数的增加而减小。此外，我们可以看出选择天线的最优数量与移相器的分辨率有关。例如，在使用1-bit移相器的情况下，最优的天线选择数为65左右；而在使用2-bit或3-bit移相器的情况下，最优值在90-100之间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于低分辨率移相器的天线选择与波束成形联合设计方法，其特征在于，包括：

步骤S1、根据松弛天线选择的限制条件，在不考虑天线选择的情况下，以使空间效率最大为目标，采用迭代方法求得模拟波束成形中间向量

其中，h表示信道信息已知的毫米波信道，F代表每个移相器的取值集合且

其中M表示移相器的个数，B表示移相器的分辨率；

步骤S2、在得到的模拟波束成形中间向量

的基础上，考虑天线选择，从N_t个天线中选择M个最优的天线，进一步以使空间效率最大为目标进行优化，进而求得最终的模拟波束成形向量f_RF。

2.根据权利要求1所述的联合设计方法，其特征在于所述移相器的幅值固定为

3.根据权利要求1所述的联合设计方法，其特征在于所述步骤S2具体包括：

步骤S201、将空间效率优化集合S初始化为空集，根据所得模拟波束成形中间向量

计算对应的空间效率集合α_i,i＝1,2,...,N_t，寻找空间效率模值最大的一项并将其下标存入集合S中；

步骤S202、在剩余项中选取一α_j，并将 此项对应下标存入集合S中，更新集合S后，使得|∑_l∈Sα_l|最大；

步骤S203、在空间效率集合中提出所选取的项，防止重复选择影响结果；

步骤S204、反复执行S202与S203，直至从空间效率集合α_i,i＝1,2,...,N_t中选择一定个数的项，进而使空间效率优化集合S中元素的个数满足设计要求；

步骤S205、根据所得集合S将向量

中对应下标元素值保留，其余元素置0，得到最终的模拟波束成形向量f_RF＝{f_RF,k}，即：

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