CN109120316B - 一种基于最大化最小相位差值的混合波束成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于最大化最小相位差值的混合波束成形方法。现有方法模拟波束成形部分需要大量码本集合用于恢复终端发送的信号，导致复杂度过高，难以实现。本发明首先利用信道增益门限和阵列响应向量的相关特性，从模拟波束成形向量码本中筛选出能够提供较高信号功率的向量集合。然后利用模拟波束成形向量与主要传播路径阵列响应向量的相位差衡量用户间干扰，提出采用最大化最小相位差值的准则抑制最强用户间干扰。本发明利用信道增益门限从模拟波束成形向量码本中筛选出能够提供较高信号功率的向量集合，保证了较大的接收功率。本发明方法能够减轻用户间的干扰，提高系统容量，同时保证较低复杂度。

Description

一种基于最大化最小相位差值的混合波束成形方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种对多用户系统降低干扰的方法，具体是毫米波大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)多用户系统中的一种基于最大化最小相位差值的混合波束成形方法。

背景技术

随着无线通信的迅速发展，现有的低频段频谱不能满足人们日益增长的需求。使用未被充分利用的毫米波频段可满足人们高速通信的需求。毫米波波长较短，有利于布置大规模阵列，提高传输频带的利用率。在多用户毫米波大规模MIMO系统中，理论上可采用数字预编码获得最佳性能。但这需要每根天线连接一个单独的射频链路，在毫米波大规模MIMO系统中就需要大量射频链路，带来高功耗和高复杂度。为解决这个困难，通常在毫米波大规模MIMO系统中采用混合波束成形，其所需的射频链路数量远远少于天线数量。但是，多用户毫米波大规模MIMO系统中，用户间存在干扰。当干扰较强的时候，用户的通信质量将得不到保证。同时，降低干扰可能会导致接收功率较小。因此，需要在功率和干扰之间取得合理折中，从而提高系统容量。

现有方法在多用户毫米波大规模MIMO系统面临着问题。基于波束控制的混合波束成形侧重接收功率最大化，不能有效抑制用户间干扰。基于施密特正交化的混合波束成形在有限精度的相移条件下不能有效抑制用户间干扰。

发明内容

本发明的目的是针对现有混合波束成形方法不能兼顾接收功率和降低干扰的问题，提供一种基于最大化最小相位差值的混合波束成形方法。

本发明方法基于单个小区内，包含一个基站和多个用户的上行毫米波通信系统。基站天线阵列为均匀线性阵，且包含几十或几百根天线。用户为单天线。基站采用混合波束成形。基站端模拟波束成形码本有限。对任何用户而言，码本设置为有限个天线阵列响应向量的集合

其中,c为实数，M为基站端天线数，

为可实现相移器相位，即模拟波束成形角，限定模拟波束成形角的范围为[0,π)。

为天线阵列响应向量，

λ为载波波长，d为基站端相邻天线间距，j为复数，满足j²＝-1。根据模拟波束成形矩阵W_RF和信道特性矩阵H采用最小均方误差准则计算数字处理矩阵

表示W_RF的共轭转置。

本发明方法的具体步骤是：

步骤1、功率保证阶段：

计算每个用户满足功率要求的码本集合：基站模拟波束成形码本为有限，首先通过路径增益门限的设置，选出高于路径增益门限的路径，接着根据这些路径对应的波达角从码本中选择与其相位差值最小的向量形成每个用户的候选模拟波束成形向量集合。具体方法是：

1.1.计算路径增益门限：

用户k的信道向量为h_k，

L_k为路径数，α_kl为相应的路径增益，

为波达角；计算用户各路径增益模的均值并将其设置为路径增益门限ε_k：

1.2.计算满足功率要求的模拟波束成形向量集合：

对于用户k，首先计算选出路径增益模高于ε_k的路径，即满足|α_kl|＞ε_k，然后计算对应路径波达角与码本中，向量相位差的绝对值小于

的向量，即满足

满足上述两个条件的集合即为满足功率要求的模拟波束成形向量集合F_k：

其中θ_k为满足功率要求的模拟波束成形向量角，

为θ_k的集合；

步骤2、干扰降低阶段：

2.1.信道特性向量的近似：

将h_k近似为

为最大路径增益，

为其对应的相位；

2.2.最大化最小相位差：

对于用户k，计算P_k中元素与其他k-1个用户最大路径增益对应波达角相位差的最小值D_kl，

其中，

T_k＝{m|m≠k,m＝1,···,K}；T_k为其他k-1个用户的索引集合，m为用户索引；

P_k表示集合

去除已经选出的最优波束成形角度

后剩下的集合，t为实数，表示已选出的最优波束成形角的索引；

计算出所有D_kl，找出最大值所对应的

中元素作为最优波束成形角度

得到模拟波束成形向量，

[W_RF]_k表示模拟波束成形矩阵W_RF的第k列；按照k＝1,···,K的顺序重复步骤1和2得到完整的W_RF矩阵。

本发明方法的创新关键是：利用路径增益门限及路径波达角与码本最小相位差，保证了较高的接收信号功率；最大化最小相位差避免了最强干扰。

本发明利用信道增益门限从模拟波束成形向量码本中筛选出能够提供较高信号功率的向量集合，保证了较大的接收功率。利用模拟波束成形向量与主要传播路径阵列响应向量的相位差衡量用户间干扰，采用最大化最小相位差值的准则抑制最强用户间干扰，进一步提高了传输效率。同时，最大化最小相位差算法，优化范围小，计算复杂度低，具有很好的可实现性。本发明方法能够减轻用户间的干扰，提高系统容量，同时保证较低复杂度。

附图说明

图1是本发明实施例中系统和速率与终端数量关系的仿真图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

毫米波大规模多输入多输出多用户系统中的基于最大化最小相位差值的混合波束成形方法，应用场景如下：

单个小区内，K个单天线用户同时向基站发送数据，基站配有M根天线和K个射频链路用于接收信号，阵列为均匀线形阵。

发送信号向量为s∈C^K×1，基站接收到的信号经过混合波束成形矩阵处理，即W_RF∈C^M×K,及W_RF∈C^K×K来恢复向量s，恢复后的向量表示为

ρ表示发送信号功率，n∈C^M×1为接收噪声向量。对任何用户而言，码本设置为有限个天线阵列响应向量的集合

为天线阵列响应向量，

λ为载波波长，d为基站端相邻天线间距，j为复数，满足j²＝-1。根据模拟波束成形矩阵W_RF和信道特性矩阵H采用最小均方误差准则计算数字处理矩阵

表示W_RF的共轭转置。

该方法的具体步骤是：

步骤1、功率保证阶段：

计算每个用户满足功率要求的码本集合：基站模拟波束成形码本为有限，首先通过路径增益门限的设置，选出高于路径增益门限的路径，接着根据这些路径对应的波达角从码本中选择与其相位差值最小的向量形成每个用户的候选模拟波束成形向量集合。具体方法是：

1.1.计算路径增益门限：

用户k的信道向量为h_k，

L_k为路径数，α_kl为相应的路径增益，

为波达角；计算用户各路径增益模的均值并将其设置为路径增益门限ε_k：

1.2.计算满足功率要求的模拟波束成形向量集合：

对于用户k，首先计算选出路径增益模高于ε_k的路径，即满足|α_kl|＞ε_k，然后计算对应路径波达角与码本中，向量相位差的绝对值小于

的向量，即满足

满足上述两个条件的集合即为满足功率要求的模拟波束成形向量集合F_k：

其中θ_k为满足功率要求的模拟波束成形向量角，

为θ_k的集合；

步骤2、干扰降低阶段：

2.1.信道特性向量的近似：

由于h_k为多个阵列响应向量与路径增益乘积累加的形式，不能进行相位比较；将h_k近似为

为最大路径增益，

为其对应的相位；

2.2.最大化最小相位差：

对于用户k，计算P_k中元素与其他k-1个用户最大路径增益对应波达角相位差的最小值D_kl，

其中，

T_k＝{m|m≠k,m＝1,···,K}；T_k为其他k-1个用户的索引集合，m为用户索引；

P_k表示集合

去除已经选出的最优波束成形角度

后剩下的集合，t为实数，表示已选出的最优波束成形角的索引；

计算出所有D_kl，找出最大值所对应的

中元素作为最优波束成形角度

得到模拟波束成形向量，

[W_RF]_k表示模拟波束成形矩阵W_RF的第k列；按照k＝1,···,K的顺序重复步骤1和2得到完整的W_RF矩阵。

仿真试验的结果如图1所示，对终端数量的影响进行了仿真。为了直观地体现出本发明方法的优越性，将本方法的仿真结果与现有的波束控制、施密特正交化的修正方法进行了对比。

由图1可以看出，系统和速率随着用户数的增多递增,所提出算法性能一直优于施密特正交化修正算法和波束控制算法。并且，施密特正交化修正算法和波束控制算法的算法性能随着用户的增多渐趋平稳，说明对干扰的消除不够好。反观本发明所提出的算法，其性能随着用户数的增长稳步上升，这也反映出所提出算法在降低用户间干扰方面性能的优越性。本发明方法明显地提高了系统的和速率，也就是说该方法能够显著降低干扰。

Claims (1)

1.一种基于最大化最小相位差值的混合波束成形方法，该方法基于单个小区内，包含一个基站和多个用户的上行毫米波通信系统；基站天线阵列为均匀线性阵，用户为单天线，基站采用混合波束成形；对任何用户而言，码本设置为有限个天线阵列响应向量的集合

其中c为实数，M为基站端天线数，

为可实现相移器相位，即模拟波束成形角，限定模拟波束成形角的范围为[0,π)，

为天线阵列响应向量，

λ为载波波长，d为基站端相邻天线间距，j为复数，满足j²＝-1，根据模拟波束成形矩阵W_RF和信道特性矩阵H采用最小均方误差准则计算数字处理矩阵

表示W_RF的共轭转置；其特征在于该方法的具体步骤是：

步骤1、功率保证阶段：

计算每个用户满足功率要求的码本集合：基站模拟波束成形码本为有限，首先通过路径增益门限的设置，选出高于路径增益门限的路径，接着根据这些路径对应的波达角从码本中选择与其相位差值最小的向量形成每个用户的候选模拟波束成形向量集合；具体方法是：

1.1.计算路径增益门限：

用户k的信道向量为h_k，

L_k为路径数，α_kl为相应的路径增益，

为波达角；计算用户各路径增益模的均值并将其设置为路径增益门限ε_k：

1.2.计算满足功率要求的模拟波束成形向量集合：

对于用户k，首先计算选出路径增益模高于ε_k的路径，即满足|α_kl|＞ε_k，然后计算对应路径波达角与码本中，向量相位差的绝对值小于

的向量，即满足

满足上述两个条件的集合即为满足功率要求的模拟波束成形向量集合F_k：

其中θ_k为满足功率要求的模拟波束成形向量角，

为θ_k的集合；

步骤2、干扰降低阶段：

2.1.信道特性向量的近似：

将h_k近似为

为最大路径增益，

为其对应的相位；

2.2.最大化最小相位差：

对于用户k，计算P_k中元素与其他k-1个用户最大路径增益对应波达角相位差的最小值D_kl，

其中，

T_k＝{m|m≠k,m＝1,···,K}；T_k为其他k-1个用户的索引集合，m为用户索引；

P_k表示集合

去除已经选出的最优波束成形角度

后剩下的集合，t为实数，表示已选出的最优波束成形角的索引；

计算出所有D_kl，找出最大值所对应的

中元素作为最优波束成形角度

得到模拟波束成形向量，

[W_RF]_k表示模拟波束成形矩阵W_RF的第k列；按照k＝1,···,K的顺序重复步骤1和2得到完整的W_RF矩阵。

Images