CN110233649A - 一种基于毫米波mimo系统的动态子阵列设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于毫米波MIMO系统的动态子阵列设计方法，包括以下步骤：步骤S1，将发送端天线按照天线索引值折半分成上下半区；步骤S2，求出子区所有的排列组合，再将子区折半分成两个由4根索引值连续的天线组成的小组。步骤S3，对子区小组的协方差矩阵进行SVD分解，并求其奇异值之和，重复操作直至得到最大奇异值之和，再按照最大奇异值之和对应的索引值组合调整天线的位置。步骤S4，所有子区重复步骤S2、S3操作，完成上述操作后，按照部分连接子阵列架构分组。步骤S5，最后，进行预编码性能仿真验证。与现有技术相比较，本发明在部分连接子阵列的基础上提出的动态子阵列方法，通过仿真证明了性能的优越性。

Description

一种基于毫米波MIMO系统的动态子阵列设计方法

技术领域

本发明属于毫米波通信技术和大规模天线阵列技术领域，涉及一种提升系统传输效率的动态子阵列设计方法，尤其涉及一种在毫米波大规模MIMO系统的部分连接子阵列动态分配方法。

背景技术

随着智能移动终端数量不断地增长，目前的蜂窝网络由于缺乏频谱资源，已不能满足下一代通信系统对大容量和高性能的需求。毫米波与大规模MIMO系统的结合有效解决了频谱资源不足的问题，在满足5G网络严格性能要求方面起着关键的作用。同时也得益于毫米波较短的波长，使得在一定尺寸内封装大量的天线元件成为可能，从而可以利用大规模天线阵列产生的波束成型增益来弥补较严重的传播路径损耗，大规模MIMO系统还可以通过空间多路复用和波束成型来提高通信质量。因此，在下一代通信系统中，毫米波和大规模天线阵列的联合应用将必不可少。

在传统的MIMO通信系统中，发送端数据的预编码和波束成型多在基带数字处理单元进行，数据通过每根天线连接的射频链路进行发送端的传输。然而，毫米波大规模MIMO系统的天线数目较大，这就使得传统的全数字预编码方案较难应用到毫米波系统中。为了解决毫米波环境下大规模MIMO部署的难题，混合预编码的提出被认为是一个更实际的解决方案，该方案在很大程度上减少射频链路的数量，同时硬件实现复杂度也得到了大幅度降低。混合预编码架构由数字预编码和模拟预编码两部分组成，首先，发送端将数据传输到数字预编器进行预处理，其次，将经过预处理的数据传输到模拟预编码处理进行第二次预处理，最后信号通过天线阵列发送出去。在混合预编码架构中根据射频链路是否与所有天线连接可分为全连接和部分连接。在全连接架构中，每个RF链路通过一个移相器网络与所有的天线单元连接，整个结构一共需要N_TXN_RF个移相器来实现，让模拟波束成型(模拟预编码器)部分的每个元素受到恒模范数约束。与全连接结构不同，在部分连接结构中，每个RF链路只与一个天线子阵列连接，较低的硬件实现复杂度使得波束赋形的设计过程更加高效和灵活。此外，部分连接结构中的模拟波束成型(模拟预编码器)矩阵是块对角矩阵，其中每个对角元素同样也受到了恒模约束。但是，部分连接子阵列因其较低的复杂度更易在实际中部署。然而，部分连接子阵列在降低复杂度的同时大规模天线阵列产生的波束成型增益也在降低。

在部分连接子阵列的基础上，为进一步提升系统整体性能一种天线子阵列动态分配方案已被提出。根据射频链路数将天线阵列划分成若干个数目不等的子阵列，再根据信道协方差的变化动态匹配子阵列。此外，空间信道协方差的变化比信道变化的慢，这样就避免动态子阵列结构在每个传输时间间隔都重新组合，这也保证动态子阵列方案在实际的应用中更加可行。但是，该方法存在以下不足：1)子阵列每次匹配分组的搜索范围是整个天线阵列；2)子阵列天线不是平均分配。

针对目前现有技术方法存在的不足，有必要进行深入研究，以获得一种方法对现有的技术不足之处进行改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于毫米波MIMO系统的动态子阵列设计方法，其中，动态子阵列是在部分连接子阵列的基础对子阵列进行动态匹配，在保证较低的硬件实现复杂度同时进一步提高系统的传输和速率。

在求解混合预编码问题时对问题进行公式化，表示如下：

式中的(·)^★表示问题的最优解。为了使问题更简化对上式进行改写，如下式所示：S表示可以传输的最大的数据流S≤N_RF，p_s是第s个数据流的功率，λ_s(H)表示H的第s个奇异向量，在实际的信道传输中我们可以把问题做如下简化再进行求解：

在上式的基础上，现在讨论部分连接下的混合预编码问题，在部分连接架构中，每一个RF链路只与一个天线子阵列连接，子阵列中天线数均为n＝N_TX/N_RF，天线阵列为{1，2，...，N_TX}，子阵列为S_r′r＝1，2，...，N_RF

S₁＝{1，2，...，n}

S₂＝{n+1，n+2，...，2n}

在部分连接中模拟预编码矩阵F_RF为如下对角矩阵：

式中相对于全连接模拟预编码更加简洁。此外，在子阵列结构下，信道矩阵还可以用每个子阵列的信道矩阵如下表示： 为第r个子阵列的信道矩阵部分连接架构中目标函数的最大值是N_RF个子阵列协方差中最大奇异值之和，而在全连接架构下，奇异值之和的最大值是完整信道矩阵协方差矩阵R的最大的N_RF个奇异值的和，如下示：

当已知R时，上式所示全连接的最优解是常数；而在部分连接架构下的目标函数的最优解取决于每个子阵列协方差矩阵这一特点为本发明动态子阵列的设计提供了较好的理论基础。

本发明为了解决现有的技术问题采用以下技术方案：

本发明提供了一种基于毫米波MIMO系统的动态子阵列设计方法，包括以下步骤：

步骤S1，将发送端天线按照天线索引值折半分成上下半区，每个半区再分成由8根天线组成的若干子区。

步骤S2，求出子区所有的排列组合，再将子区折半分成两个由4根索引值连续的天线组成的小组。

步骤S3，对子区小组的协方差矩阵进行SVD分解，并求其奇异值之和，重复操作直至得到最大奇异值之和，再按照最大奇异值之和对应的索引值组合调整天线的位置。

步骤S4，所有子区重复步骤S2、S3操作，完成上述操作后，按照部分连接子阵列架构分组。

步骤S5，最后，进行预编码性能仿真验证。

优选的，在步骤S1中进一步包括以下步骤：

本发明适用毫米波段的信道模型。例如，本文采用的基于扩展的Saleh-Valenzuela几何信道模型的窄带信道，信道矩阵H可以表示为： 其中，N_cl和N_ray分别表示簇的数目和每个簇的路径数；α_i，l表示第f个簇中的第l条路径的信道增益，服从复高斯分布其方差表示第i个簇的平均功率，并且满足 此处定义为标准化因子，使得此外，式中是第i个簇中的第l条路径在水平(方位)和垂直(俯仰)方向上的到达角(angle of arrival，AOA)；则是同一条路径在水平(方位)和垂直(俯仰)方向上的出发角(angle of departure，AOD)。基于上述角度，向量和分别表示为归一化的接收阵列响应矢量和发送阵列响应矢量；且由它们组成的矩阵 和 分别被定义为接收阵列响应矩阵和发送阵列响应矩阵。注意到阵列响应矢量和仅取决于天线阵列的结构。两个常用的天线阵列结构是均匀线性阵列(uniform linear array，ULA)和均匀平面阵列(uniformplanar array，UPA)。尽管本文随后给出的算法和推导结果可以适用于任意天线阵列，为了便于后续说明及性能仿真，以处在y-z平面上的UPA天线结构为例给出阵列响应矢量。若UPA天线阵列在y轴和z轴分别具有W和H个天线阵子(antenna element)，则阵列响应矢量可以写成： 其中，d是相邻天线阵子之间的距离；0≤m≤W和0≤n≤H分别是y轴和z轴天线阵子的索引值，且总的天线阵子数即阵列大小N＝WH。将信道矩阵按列均分成两个维度相等的子矩阵，再分别将子矩阵按照8列一组分成若干子矩阵。

优选的，在步骤S3中进一步包括以下步骤：

对小组的协方差矩阵进行SVD分解处理，并求分解得到的奇异值之和，4根天线位置的排列组合一共有24种，对这24种组合依次进行处理，并选择其中奇异值之和的最大值并将对应的天线的位置固定，此时的天线阵列的排序就是传输质量最佳的，因为奇异值是反映信道质量的最直接的信息，所以充分利用这一性质进行动态子阵列的设计。

在现有部分连接子阵列架构基础上为了能更好的提升系统传输性能，提出了动态子阵列的技术方法。但现有的研究中，动态子阵列的实现多是通过对发送端天线阵列作穷举搜索匹配来获得性能较好的子阵列结构，但是实现复杂度较高，本文提出的折半法动态子阵列方案大大降低了匹配过程的复杂度。此外，与现有的技术相比，本发明的预编码方法，能够有效降低实现的复杂度，并取得更好的系统传输性能。

附图说明

图1为本发明所设定的毫米波MIMO系统部分连接子阵列系统模型。

图2为本发明一种基于毫米波MIMO系统的动态子阵列设计方法的一个具体实施例流程图。

图3为本发明方法中所提动态子阵列结构图。

图4为本发明实施例1中不同结构的性能仿真示意图。

图5为本发明实施例2中不同结构的性能仿真示意图。

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提供的技术方法作进一步说明。

图1为本发明所设定的毫米波MIMO系统部分连接子阵列系统模型。其中发送端天线数为N_TX，接收端天线数为N_RX，发送端和接收端的射频RF链路数为传输的数据流数目为N_s。

图2为本发明一种基于毫米波MIMO系统的动态子阵列设计方法的一个具体实施例流程图。

图3为本发明所提的动态子阵列结构图。

实施例所述方法包括以下步骤：

步骤S1、本文采用基于扩展的Saleh-Valenzuela几何信道模型的窄带信道表示。信道矩阵H可以表示为： 其中，N_cl和N_ray分别表示簇的数目和每个簇的路径数；α_i，l表示第i个簇中的第l条路径的信道增益，服从复高斯分布其方差表示第i个簇的平均功率，并且满足此处定义为标准化因子，使得此外，式中是第i个簇中的第l条路径在水平(方位)和垂直(俯仰)方向上的到达角(angle of arrival，AOA)；则是同一条路径在水平(方位)和垂直(俯仰)方向上的出发角(angle of departure，AOD)。基于上述角度，向量和 分别表示为归一化的接收阵列响应矢量和发送阵列响应矢量；且由它们组成的矩阵和 分别被定义为接收阵列响应矩阵和发送阵列响应矩阵。注意到阵列响应矢量和仅取决于天线阵列的结构。两个常用的天线阵列结构是均匀线性阵列(uniform linear array，ULA)和均匀平面阵列(uniformplanar array，UPA)。尽管本文随后给出的算法和推导结果可以适用于任意天线阵列，为了便于后续说明及性能仿真，以处在y-z平面上的UPA天线结构为例给出阵列响应矢量。若UPA天线阵列在y轴和z轴分别具有W和H个天线阵子(antenna element)，则阵列响应矢量可以写成： 其中，d是相邻天线阵子之间的距离；0≤m≤W和0≤n≤H分别是y轴和z轴天线阵子的索引值，且总的天线阵子数即阵列大小N＝WH。将发送端天线按照天线索引值折半分成上下半区，在每个半区再分成由8根天线组成的子区。

步骤S2、将步骤S1得到的子区排列组合，再折半分成两个由4根索引值连续的天线组成的小组。

步骤S3、对小组的协方差矩阵进行SVD分解处理，并求分解得到的奇异值之和，4根天线位置的排列组合一共有24种，对这24种组合依次进行处理，并选择其中奇异值之和的最大值并将对应的天线的位置固定，此时的天线阵列的排序就是传输质量最佳的，因为奇异值是反映信道质量的最直接的信息，所以充分利用这一性质进行动态子阵列的设计。

步骤S4，所有子区重复步骤S2、S3操作，完成后上述操作后，按照如图1所示的系统模型示意图进行部分连接子阵列架构分组。

下面根据具体实例对基于毫米波MIMO系统的动态子阵列设计方法进行详细的说明。

实施例1

假设发送端已知完备的信道状态信息，考虑一个单用户毫米波MIMO系统，发送端天线数N_TX＝16，接收端天线数N_RX＝8，发送端和接收端的射频链路数信道一共有8个簇，且每个簇均有10条传输路径，即共有N_clN_ray＝80条传输路径。假设信道每个簇的路径增益α_il服从方差为的高斯分布。并假设到达角和出发角的方位角在[0，2π]内均匀分布，俯仰角在内均匀分布，设置噪声方差σ²＝1，N_s＝₂，同时对发射端功率进行归一化处理。步骤S1，将发送端16根天线按照天线索引值折半分成上下半区，每个半区由8根天线组成。步骤S2，求出子区所有的排列组合，再将子区折半分成两个由4根索引值连续的天线组成的小组。步骤3，对子区小组的协方差矩阵进行SVD分解，并求其奇异值之和，重复操作直至得到最大奇异值之和，再按照最大奇异值之和对应的索引值组合调整天线的位置，然后再固定子区天线的位置。步骤S4，对得到的4个子区重复步骤S2、S3操作，完成上述操作后，按照部分连接子阵列架构分组。步骤S5，最后，进行预编码性能仿真验证。在仿真中，具体参照迫零和最佳数字预编码、最佳混合预编码三种预编码算法。数据仿真结果如图4所不。

实施例2

假设发送端已知完备的信道状态信息，考虑一个单用户毫米波MIMO系统，发送端天线数N_TX＝64，接收端天线数N_RX＝8，发送端和接收端的射频链路数信道一共有8个簇，且每个簇均有10条传输路径，即共有N_clN_rav＝80条传输路径。假设信道每个簇的路径增益α_il服从方差为的高斯分布。并假设到达角和出发角的方位角在[0，2π]内均匀分布，俯仰角在内均匀分布，设置噪声方差σ²＝1，N_s＝2，同时对发射端功率进行归一化处理。步骤S1，将发送端64根天线按照天线索引值折半分成上下半区，每个由8根天线组成。步骤S2，求出子区所有的排列组合，再将子区折半分成两个由4根索引值连续的天线组成的小组。步骤3，对子区小组的协方差矩阵进行SVD分解，并求其奇异值之和，重复操作直至得到最大奇异值之和，再按照最大奇异值之和对应的索引值组合调整天线的位置，然后再固定子区天线的位置。步骤S4，对得到的4个子区重复步骤S2、S3操作，完成上述操作后，按照部分连接子阵列架构分组。步骤S5，最后，进行预编码性能仿真验证。在仿真中，具体参照迫零和最佳数字预编码、最佳混合预编码三种预编码算法。数据仿真结果如图5所示。

如图4、5所示，可以看出，本发明所提动态子阵列算法相比部分连接子阵列架构有较好的性能表现，因为借助协方差矩阵对子阵列做适当的变换可以提高系统整体的传输性能。但同时较低于最佳模数混合预编码、最佳全数字预编码方法，这是因为在全连接架构下大规模天线阵列产生的波束成型增益弥补了较严重的传播路径损耗，而部分连接子阵列在降低硬件复杂度的同时损失了这部分增益。此外，当接收端天线数增加时，所提算法和部分连接子阵列的和速率都有了明显的提高，这说明了接收端天线数目在数据传输中起到了提高接收容量的作用。

在毫米波MIMO系统中，本发明利用部分连接子阵列的的思想，按照协方差矩阵的相关知识对发送端天线阵列重新组合排列，来达到提升系统性能的目的。由此可以看出，本发明的实施例方案在降低系统复杂度的前提下，与现有的部分连接子阵列相比能够获得更好的性能表现，因此，本发明相比于传统的方法更加适用于毫米波MIMO系统在实际中的应用。

对所公布开的实例的上述说明，使本领域专业技术分人员能够实现或者使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显然的，本文中所定义的一般原理可以在不偏离本发明的范围或者精神的情况下，在其他的实施例中实现。因此，本发明不会被限制在本文的这些实施例中，而是要符合与本文中所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范筹。

Claims (1)

1.一种基于毫米波MIMO系统的动态子阵列设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，将发送端天线按照天线索引值折半分成上下半区，每个半区再分成由8根天线组成的若干子区；

其中，上半区：S_U＝{1，2，...，N_TX/2}，下半区：S_D＝{N_TX/2+1，N_TX/2+2，...，N_TX}；进一步划分得到的若干子区表示如下：

S₁＝{1，2，...，8}

S₂＝{8+1，8+2，...，2*8}

S_i＝{(i-1)*8+1，(i-1)*8+2，...，N_TX/2}

S_n＝{(n-1)*8+1，(n-1)*8+2，...，N_TX}

上式中S₁，S₂，...，S_i，...，S_n表示子区；

步骤S2，求出子区所有的排列组合，再将子区折半分成两个由4根索引值连续的天线组成的小组；

其中，对步骤S1得到的子区S₁，S₂，...，S_i，...，S_n中天线按照索引值进行重新排列组合，每个子区得到种组合方式，取S₁＝{1，2，...，8}进行重新排列组合得到种组合方式，任意选取一种组合方式；

步骤S3，对子区小组的协方差矩阵进行SVD分解，并求其奇异值之和，重复操作直至得到最大奇异值之和，再按照最大奇异值之和对应的索引值组合调整天线的位置；

其中，R＝H*H^*为信道矩阵的协方差矩阵，得到协方差矩阵和对协方差矩阵进行SVD分解，进一步求小组的奇异值之和，得到和将得到的小组的奇异值之和相加得到子区的奇异值之和，对子区重新排列得到的组合依次进行上述操作直至得到奇异值之和的最大值；

步骤S4，所有子区重复步骤S2、S3操作，完成上述操作后，按照部分连接子阵列架构分组；每一个RF链路只与一个天线子阵列连接，子阵列中天线数均为n＝N_TX/N_RF′天线阵列为{1，2，...，N_TX}，子阵列为S_r′r＝1，2，...，N_RF

S₁＝{1，2，...，n}

S₂＝{n+1，n+2，...，2n}

步骤S5，进行预编码性能仿真验证。