CN110212962B - 一种基于模拟移相—开关级联网络的混合预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模拟移相—开关级联网络的混合预编码方法，包括以下步骤：给出开关与移相器级联的模拟网络结构，并建立基于该结构的毫米波大规模MIMO系统混合预编码数学模型；通过信道矩阵奇异值分解求解全数字最优预编码矩阵，然后随机生成模拟移相预编码矩阵；利用块坐标下降方法联合优化模拟开关预编码矩阵与数字预编码矩阵；利用相位旋转优化模拟移相预编码矩阵；利用上述的模拟移相预编码矩阵、模拟开关预编码矩阵与数字预编码矩阵，完成混合预编码。与现有技术相比，本发明所提模拟移相—开关级联网络只需要与天线阵元数相等的移相器，具有较低硬件成本和功耗等优点；进一步的，仿真实验结果表明，本发明基于模拟移相—开关级联网络的混合预编码方法具有较高的频谱效率和能量效率。

Description

一种基于模拟移相—开关级联网络的混合预编码方法

技术领域

本发明涉及毫米波大规模MIMO系统模拟网络结构，涉及混合预编码方法，更为具体的说是涉及一种基于模拟移相—开关级联网络的混合预编码方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着现代信息社会的高速发展和智能移动终端的迅速普及，移动数据传输需求呈现指数增长。在当前无线电频谱资源日益短缺的情形下，如何实现无线数据的高速传输，满足5G网络在用户体验速率、吞吐量等方面的需求，是当前移动通信领域亟待解决的关键问题。相关研究表明：毫米波频段(30GHz-300GHz)拥有大量的空闲频谱资源，可以支持10Gbps以上的数据传输速率，以毫米波为载频进行数据传输是5G网络实现超高系统容量最为直接有效的途径。然而毫米波信号的自由路径损耗和大气吸收衰减等均远大于低频信号，具有传输距离较短，信噪比较低等缺点。为此，毫米波通信系统通常采用大规模MIMO天线阵列进行信号的发射与接收，通过大规模天线阵列的波束赋形增益克服信号传输衰减与损耗，从而增加信号的传播距离，提高数据传输速率。混合预编码是毫米波大规模MIMO系统的关键技术之一，对提升系统频谱效率、降低系统能量消耗等方面均有重要作用，受到了当前学术界和工业界的广泛关注。

混合预编码将信号预编码分为数字预编码和模拟预编码，其中模拟网络是实现混合预编码的重要硬件基础。通过设计并优化模拟网络结构、数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵不仅能够有效减少射频链数量、降低硬件成本和功耗，而且能够消除信号干扰、提高信号传输增益。目前，模拟网络主要分为共享型移相网络和分离型移相网络。共享型移相网络中每条射频链通过独立的移相器与天线阵元相连接，移相器数量为射频链数量与天线阵元数量的乘积。针对共享型移相网络，申请号为“201810921078.5”的专利文件公开了“一种基于矩阵分解的混合预编码/合并器设计方法”，该方法利用等增益传输特性优化模拟预编码矩阵，并通过QR分解和LDL^H分解优化数字预编码；申请号为“201811087139.9”的专利文件公开了“一种基于行向量优化的混合预编码方法”，该方法分别通过流形优化和最小二乘法优化模拟预编码与数字预编码矩阵。共享型移相网络中的混合预编码方法可以有效逼近全数字预编码方法的性能，但存在移相器数量庞大、结构复杂、功耗高等缺点。分离型移相网络中每条射频链仅与部分天线阵元相连接，移相器数量与天线阵元数量相等。针对分离型移相网络，申请号为“201910014059.9”的专利文件公开了“毫米波大规模MIMO中基于DSBO的混合预编码算法”，该算法利用DSBO智能搜索算法求解模拟预编码矩阵，并通过迫零算法给出数字预编码矩阵；申请号为“201910048405.5”的专利文件公开了“毫米波大规模MIMO中基于部分连接的混合预编码方法”，该方法将信道矩阵分成与射频链路数相等的块矩阵，并利用块矩阵的最大右奇异向量给出模拟预编码矩阵，然后通过等效信道矩阵的奇异值分解求解数字预编码矩阵。分离型移相网络具有结构简单、成本与功耗低等优点，但其频谱效率与全数字预编码相比差距较大，难以满足高速率数据传输需求。

综合上述分析可知：(1)共享型移相网络硬件结构复杂、成本与能耗高，但利用该结构进行混合预编码可以获得较高的频谱效率；(2)分离型移相网络可在一定程度上降低硬件开销，但利用该结构进行混合预编码会造成较大的频谱效率损失。为此，如何设计模拟网络结构并给出相应的混合预编码方法，利用较低硬件成本和功耗达到较高的频谱效率，是毫米波通信中亟待解决的关键技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种开关与移相器级联的模拟网络，简称为模拟移相—开关级联网络，并在此基础上公开了一种基于模拟移相—开关级联网络的混合预编码方法。本发明综合考虑共享型和分离型移相网络的优缺点，旨在有效降低系统能耗的同时达到较高的频谱效率。

为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

一种基于模拟移相—开关级联网络的混合预编码方法，包括以下步骤：

步骤1.给出开关与移相器级联的模拟网络结构，并建立基于该结构的毫米波大规模MIMO系统混合预编码数学模型；

步骤2.通过信道矩阵奇异值分解求解全数字最优预编码矩阵，然后随机生成模拟移相预编码矩阵；

步骤3.利用块坐标下降方法联合优化模拟开关预编码矩阵与数字预编码矩阵；

步骤4.在步骤3基础之上，利用相位旋转优化模拟移相预编码矩阵；

步骤5.利用步骤3～4给出的模拟移相预编码矩阵、模拟开关预编码矩阵与数字预编码矩阵，完成混合预编码。

进一步的，步骤1中包括，利用最小化混合预编码矩阵残差准则表示所述的混合预编码数学模型：

其中，

表示全数字最优预编码矩阵；

分别为模拟移相预编码矩阵，模拟开关预编码矩阵和数字预编码矩阵；[F_S]_mn∈{0,1}表示F_S满足0-1约束，[·]_mn表示矩阵的第m行、第n列元素；

为恒模对角矩阵，满足|f_PS,i|＝1；

表示发射功率约束；N_s为数据流数，N_RF表示射频链个数，N_t、N_r分别表示发射和接收天线数；|·|表示复数的模，||·||_F表示矩阵的F-范数。

进一步的，所述步骤2包括，对信道矩阵进行奇异值分解，取右奇异矩阵的前N_s列作为全数字最优预编码矩阵

然后随机生成恒模对角模拟移相预编码矩阵

进一步的，根据步骤3中，采用块坐标下降方法联合优化模拟开关预编码矩阵F_S和数字预编码矩阵F_BB，其求解步骤包括：

(1)固定模拟移相预编码矩阵F_PS，随机构造两个维度相同的矩阵F_BB和F_DD，满足

F_BB＝αF_DD，其中，α表示一个比例因子；

(2)将所述混合预编码优化问题的目标函数取上界：

其中，等效最优预编码矩阵

(3)将所述步骤(2)中目标函数的上界去掉

并加上

关于{F_S,α}的优化问题可表示为：

其中，

表示取矩阵各元素的实部得到的新矩阵；

(4)令

s＝vec{F_S}；对x中的元素做升序排列，使得x满足不等式x₁≤x₂≤…≤x_K，其中，vec{·}为向量化算子，x_i表示x中的第i个元素，K＝N_tN_RF；

进一步的，所述步骤(3)中的目标函数转化为关于α的二次函数：

在所述二次函数的对称轴或者端点处取得α的最优解；

进一步的，F_BB的优化结果通过如下公式计算：

F_BB＝αF_DD＝αV₁U₁ ^H，

其中，U₁、V₁分别表示

奇异值分解的左奇异矩阵和右奇异矩阵。

进一步的，所述步骤(3)中，F_S的优化结果通过如下公式计算：

其中，I(·)表示指示函数，它的含义是：当输入为True时，输出为1，输入为False时，输出为0；1_m×n表示矩阵元素全为1的m×n维矩阵。

进一步的，根据步骤4，固定模拟开关预编码矩阵F_S和数字预编码矩阵F_BB，关于模拟移相预编码矩阵F_PS的优化问题表示为：

其中，模拟移相预编码矩阵F_PS是一个恒模对角矩阵，求解F_PS的问题分解为如下所示的子问题：

其中，

表示全数字最优预编码矩阵的第i行，

表示模拟开关预编码矩阵的第i行；

采用相位旋转优化方法，得到F_PS对角线元素f_PS,i的最优解为：

其中，∠{·}表示取复数

的相位角。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

首先，本发明所提模拟移相—开关级联网络只需要与天线阵元数相等的移相器，具有较低硬件成本和功耗等优点；其次，本发明所提模拟移相—开关级联网络，通过开关网络实现了射频链与移相器之间的动态连接，使得射频链上的数据信息可以被不同的天线阵元所共享，为提高系统频谱效率提供了重要基础；最后，本发明提出的混合预编码方法充分利用了数字预编码的正交特性和模拟移相预编码的对角特性，有效地实现了模拟移相预编码矩阵F_PS、模拟开关预编码矩阵F_S和数字预编码矩阵F_BB的优化，从而具有较高的频谱效率和能量效率。

附图说明

通过参考附图会更加清楚地理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是本发明实施例的毫米波大规模MIMO系统框图；

图2是图1中模拟移相—开关级联网络结构示意图；

图3是本发明实施例基于模拟移相—开关级联网络的混合预编码方法示意图；

图4和图5是本发明实施例的仿真结果对比示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于此描述的其他方式实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明提出了一种开关与移相器级联的模拟网络(模拟移相—开关级联网络)，并建立基于该结构的毫米波大规模MIMO系统混合预编码数学模型。本发明所提结构综合考虑共享型和分离型移相网络的优缺点，在保持相对较低系统功耗的同时，实现了较高的阵列增益和预编码性能；

本发明基于模拟移相—开关级联网络，提出了一种混合预编码方法。具体而言，本发明所提方法利用块坐标下降方法交替迭代优化模拟开关预编码矩阵、数字预编码矩阵和模拟移相预编码矩阵。

本发明的实施例：一种基于模拟移相—开关级联网络的混合预编码方法，该实施例的求解方法示意图如图3所示，包括以下步骤：

步骤1.给出开关与移相器级联的模拟网络结构，并建立基于该结构的毫米波大规模MIMO系统混合预编码数学模型；

步骤2.通过信道矩阵奇异值分解求解全数字最优预编码矩阵，然后随机生成模拟移相预编码矩阵；

步骤3.利用块坐标下降方法联合优化模拟开关预编码矩阵与数字预编码矩阵；

步骤4.在步骤3基础之上，利用相位旋转优化模拟移相预编码矩阵；

步骤5.利用步骤3～4给出的模拟移相预编码矩阵、模拟开关预编码矩阵与数字预编码矩阵，完成混合预编码。

本发明提出的一种基于模拟移相—开关级联网络的混合预编码方法，如图1所示，发射端使用少量的射频链和模拟网络对数据流进行混合预编码，其中模拟网络由模拟移相—开关级联网络实现。所述模拟移相—开关级联网络包括模拟开关网络和模拟移相网络两部分，如图2所示，本发明通过级联移相器网络与开关网络有效减少了模拟网络中移相器的使用数量，并且实现了射频链与天线阵列之间的动态共享。

步骤1.建立基于模拟移相—开关级联网络的混合预编码数学模型，所述模型为：

其中，

表示全数字最优预编码矩阵；

分别为模拟移相预编码矩阵，模拟开关预编码矩阵和数字预编码矩阵；[F_S]_mn∈{0,1}表示F_S满足0-1约束，[·]_mn表示矩阵的第m行、第n列元素；

为恒模对角矩阵，满足|f_PS,i|＝1；

表示发射功率约束；N_s为数据流数，N_RF表示射频链个数，N_t、N_r分别表示发射和接收天线数；|·|表示复数的模，||·||_F表示矩阵的F-范数。

步骤2.根据信道信息计算全数字最优预编码矩阵，发射端对信道矩阵进行奇异值分解，取右奇异矩阵的前N_s列作为全数字最优预编码矩阵F_opt，满足

然后随机生成恒对角模拟移相预编码矩阵

其中|(f_PS,i)|＝1；

步骤3.利用块坐标下降方法联合优化模拟开关预编码矩阵F_S与数字预编码矩阵F_BB；其求解步骤为：

(1)固定模拟移相预编码矩阵F_PS，随机构造两个维度相同的矩阵F_BB和F_DD，满足

F_BB＝αF_DD，其中，α表示一个比例因子；

(2)将步骤1所述混合预编码优化问题的目标函数取上界：

其中，等效最优预编码矩阵

(3)将所述步骤(2)中目标函数的上界去掉

并加上

关于{F_S,α}的优化问题可表示为：

其中，

表示取矩阵各元素的实部得到的新矩阵。

(4)令

s＝vec{F_S}；对x中的元素做升序排列，使得x满足不等式x₁≤x₂≤…≤x_K，其中，vec{·}为向量化算子，x_i表示x中的第i个元素，K＝N_tN_RF；

进一步的，所述步骤(3)中的目标函数转化为关于α的二次函数：

在所述二次函数的对称轴或者端点处取得α的最优解；

进一步的，F_BB的优化结果通过如下公式计算：

F_BB＝αF_DD＝αV₁U₁ ^H，

其中，U₁、V₁分别表示

奇异值分解的左奇异矩阵和右奇异矩阵。

进一步的，所述步骤(3)中，F_S的优化结果通过如下公式计算：

其中，I(·)表示指示函数，它的含义是：当输入为True时，输出为1，输入为False时，输出为0；1_m×n表示矩阵元素全为1的m×n维矩阵。

步骤4.利用相位旋转优化方法优化模拟移相预编码矩阵F_PS；当固定模拟开关预编码矩阵F_S和数字预编码矩阵F_BB，关于模拟移相预编码矩阵F_PS的优化问题可表示为：

其中，模拟移相预编码矩阵F_PS是一个恒模对角矩阵，求解F_PS的问题分解为如下所示的子问题：

其中，

表示全数字最优预编码矩阵的第i行，

表示模拟开关预编码矩阵的第i行。

应用相位旋转优化方法，得到F_PS对角线元素f_PS,i的最优解为：

其中，∠{·}表示取复数

的相位角。

步骤5.利用步骤3～4得到的模拟移相预编码矩阵F_PS、模拟开关预编码矩阵F_S和数字预编码矩阵F_BB，完成混合预编码。

为了验证本发明的效果，发明人还进行了以下仿真实验：

仿真条件：针对毫米波大规模MIMO通信系统模型，在仿真实验中假设发射端和接收端的天线阵列都为均匀平面阵。发射端的平面阵包含12×12个天线阵元，接收端的平面阵包含6×6个天线阵元。相邻天线阵元之间的距离设置为半波长。毫米波传输信道路径分为5簇，每簇包含8条子径。每簇路径的平均方位角和仰角都服从[0,2π]上的均匀分布，每簇中8条子径的方位角和仰角满足尺度参数为10°的拉普拉斯分布。

仿真结果：图4和图5分别给出了当N_RF＝N_s＝4,SNR＝0dB时相关预编码方法的频谱效率、能量效率与发射天线数量之间的关系。从图4中可以看出，在频谱效率方面，本发明实施例所提混合预编码方法接近于基于共享型移相网络的OMP方法且远优于基于分离型移相网络的SDR-AltMin方法。此外，本发明所提模拟移相—开关级联网络，在保证系统性能的基础之上通过开关网络有效减少了移相器数量，大大降低了系统硬件成本和功耗，从而提高了系统的能量效率。从图5中可以看出，在所有仿真条件下，本发明实施例的能量效率皆优于其它相关预编码方法的能量效率。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于模拟移相—开关级联网络的混合预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.给出开关与移相器级联的模拟网络结构，并建立基于该结构的毫米波大规模MIMO系统混合预编码数学模型；

步骤2.通过信道矩阵奇异值分解求解全数字最优预编码矩阵，然后随机生成模拟移相预编码矩阵；

步骤3.利用块坐标下降方法联合优化模拟开关预编码矩阵与数字预编码矩阵；

步骤4.在步骤3基础之上，利用相位旋转优化模拟移相预编码矩阵；

步骤5.利用步骤3～4给出的模拟移相预编码矩阵、模拟开关预编码矩阵与数字预编码矩阵，完成混合预编码；

其中，步骤1中包括，给出开关与移相器级联的模拟网络结构——N_RF根射频链通过维度为N_RF×N_t的开关网络和N_t个移相器连接到N_t根天线，移相器与天线具有一一对应关系；开关与移相器级联的模拟网络结构利用开关网络实现射频链与天线阵元的动态共享，然后利用最小化混合预编码矩阵残差准则表示所述的混合预编码数学模型：

其中，

表示全数字最优预编码矩阵；

分别为模拟移相预编码矩阵，模拟开关预编码矩阵和数字预编码矩阵；[F_S]_mn∈{0,1}表示F_S满足0-1约束，[·]_mn表示矩阵的第m行、第n列元素；

为恒模对角矩阵，满足|f_PS,i|＝1；

表示发射功率约束；N_s为数据流数，N_RF表示射频链个数，N_t、N_r分别表示发射和接收天线数；|·|表示复数的模，||·||_F表示矩阵的F-范数；

所述步骤2包括，对信道矩阵进行奇异值分解，取右奇异矩阵的前N_s列作为全数字最优预编码矩阵

然后随机生成恒模对角模拟移相预编码矩阵

根据步骤3中，采用块坐标下降方法联合优化模拟开关预编码矩阵F_S和数字预编码矩阵F_BB，其求解步骤包括：

(1)固定模拟移相预编码矩阵F_PS，随机构造两个维度相同的矩阵F_BB和F_DD，满足

F_BB＝αF_DD，其中，α表示一个比例因子；

(2)将所述混合预编码优化问题的目标函数取上界：

其中，等效最优预编码矩阵

(3)将所述步骤(2)中目标函数的上界去掉

并加上

关于{F_S,α}的优化问题可表示为：

s.t.[F_S]_mn∈{0,1}

其中，

表示取矩阵各元素的实部得到的新矩阵；

(4)令

s＝vec{F_S}；对x中的元素做升序排列，使得x满足不等式x₁≤x₂≤…≤x_K，其中，vec{·}为向量化算子，x_i表示x中的第i个元素，K＝N_tN_RF；

进一步的，所述步骤(3)中的目标函数转化为关于α的二次函数：

在所述二次函数的对称轴或者端点处取得α的最优解；

进一步的，F_BB的优化结果通过如下公式计算：

其中，U₁、V₁分别表示

奇异值分解的左奇异矩阵和右奇异矩阵；

进一步的，所述步骤(3)中，F_S的优化结果通过如下公式计算：

其中，I(·)表示指示函数，它的含义是：当输入为True时，输出为1，输入为False时，输出为0；1_m×n表示矩阵元素全为1的m×n维矩阵；

根据步骤4，固定模拟开关预编码矩阵F_S和数字预编码矩阵F_BB，关于模拟移相预编码矩阵F_PS的优化问题表示为：

s.t.|f_PS,i|＝1

其中，模拟移相预编码矩阵F_PS是一个恒模对角矩阵，求解F_PS的问题分解为如下所示的子问题：

其中，

表示全数字最优预编码矩阵的第i行，

表示模拟开关预编码矩阵的第i行；

采用相位旋转优化方法，得到F_PS对角线元素f_PS,i的最优解为：

其中，∠{·}表示取复数

的相位角。

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