CN110518952B - 一种基于码本的自适应分组宽带混合波束赋形设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于码本的自适应分组宽带混合波束赋形设计方法，适用于混合模‑数波束赋形架构下宽带毫米波大规模MIMO系统。该方法利用F‑范数所表征的信道状况对天线进行自适应分组，用户链路与分配的天线组进行全连接，不仅保证信道性能，而且解决了传统毫米波系统功耗较大和硬件成本较高的问题。此外，本发明对基于码本的模拟波束成形设计方法进行了改进，使其可以运用于天线自适应分组的混合波束成型系统中。在一优选方案中，本发明还采用基于最小均方误差准则的方法迭代设计数字波束成形器，进一步提高系统的误比特性能。

Description

一种基于码本的自适应分组宽带混合波束赋形设计方法

技术领域

本发明涉及无线通信中的波束赋形领域，尤其涉及一种基于码本的自适应分组宽带混合波束赋形设计方法。

背景技术

随着物联网和移动互联网等技术的迅猛发展，社会生活对无线数据传输的速率和可靠性的要求大大提高。而毫米波大规模MIMO技术，被认为是可以实现吉比特每秒数据传输的关键技术之一。同时，毫米波频段波长极短，易于实现大规模天线阵列的集成化、小型化，从而便于空间设备装配。因而毫米波大规模MIMO技术是满足无人机和卫星等飞行器通信需求的关键技术之一。在毫米波大规模MIMO系统中，波束赋形往往是不可或缺的一环，它可以获取足够的阵列增益，以解决毫米波路径损耗的问题，同时它还可以显著减少用户之间的干扰，以及同一用户不同数据流之间的干扰，从而成倍地提升系统容量。

当前毫米波大规模MIMO技术也面临着很多技术挑战，其中最大的问题就是如何降低毫米波大规模MIMO系统中所需的硬件成本和功耗。为降低毫米波大规模的硬件成本和能量消耗，其中一个研究的热点问题就是通过采用混合波束赋形技术来减少所需射频链数量。在传统低频段MIMO系统中，波束赋形通常是在基带中进行以便更好地控制波束赋形矩阵中的每个元素。但这种全数字波束赋形在毫米波大规模MIMO中难以实现，究其原因，全数字波束赋形需要每根天线配置专用的射频链路，而射频链路通常包含高精度的模数转换器、功率放大器和混频器等，这样使得射频链路的硬件成本昂贵且功耗巨大，而在大规模MIMO系统中，天线数量大大增加，射频链路数量也随之大大增加的话，通信系统将面临着难以承受的硬件成本与功耗。为此，目前学术界是通过混合波束赋形解决这一问题，混合波束赋形通过将传统全数字波束赋形分为高维模拟波束赋型和低维数字干扰消除，而其中天线是通过移相网络与射频链路相连，使得射频链路数量远少于天线数量，并且移相器的硬件成本相对便宜，从而达到了降低硬件成本和系统功耗的目的。此外，目前大部分波束赋形工作考虑的全连接结构，即每根天线需要与所有射频链相连，而相连的每条链路上需要配备一个专用的移相器，这将需要大量移相器作为支撑，为减少移相器数量，需要进一步考虑部分子连接结构，减少射频链路与天线之间的连接，从而大幅减少移相器数量。

为降低毫米波大规模系统中的的硬件成本和功耗开销，目前已经有多种混合波束赋形方案提出。具体而言，德克萨斯大学(University of Texas)的R.W.Heath教授等人通过充分利用毫米波信道路径具有稀疏性的特点，将波束赋形设计问题转化成可以用正交匹配追踪(orthogonal matching pursuit，OMP)算法求解的问题，进而设计了一种基于压缩感知的混合波束赋形方案来接近全数字方案，但该方案局限于单用户MIMO的通信场景，并没有考虑多用户通信场景。而维多利亚大学(University of Victoria)的X.Dong教授等人提出了一种支持多用户且每个用户支持多流传输的混合块对角化(blockdiagonalization，BD)波束赋形方案，该混合波束赋形方案是基于传统全数字BD算法改进的。德克萨斯大学的J.Rodr gíuez-Ferández等人提出了一种低复杂度的同步贪婪混合波束赋形(Simultaneous Greedy Hybrid Precoding，S-GHP)，该波束赋形方案是设计基站和用户波束赋形器矩阵等效于信道奇异值分解的左右奇异矩阵的共轭转置矩阵。香港科技大学的K.B.Letaief教授等人提出移相网络可以采用部分子连接的结构，即每根天线仅与一条射频链相连，通过这样的方式可以使得移相器的数量能得到减少，从而进一步降低系统成本与功耗，但该方案每条射频链与天线的连接关系是固定的而限制了该方案的的实际性能。R.W.Heath教授等人在部分连接的基础上进一步提出了动态子连接结构，通过在射频链和天线之间增加天线选择网络，从而根据信道变化动态调节天线分组来提升系统性能。

尽管有较多混合波束赋形方案提出，大多数混合波束赋形设计并不灵活，他们仅考虑了单用户或多用户但用户支持单天线的窄带混合波束赋形方案，很少有人考虑多用户且用户支持多流传输的宽带自适应混合波束赋形方案。

另一方面，大多数方案是以频谱效率最大化来设计混合波束赋形方案，很少通过降低误比特性能来设计混合波束赋形方案。因此，如何针对多用户且用户支持多流传输的通信场景，设计一种基于最小误比特性能的宽带自适应混合波束赋形方案是非常具有挑战性的。

发明内容

有鉴于此，本发明针对多用户且用户支持多流传输的下行信道通信场景，提出了一种基于码本的自适应分组宽带混合波束赋形设计方法，能显著减小能耗和硬件复杂度，与现有技术中针对射频链路进行分组的设计方案相比能支持用户多流的情景，并消除用户之间的干扰。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种基于码本的自适应分组宽带混合波束赋形设计方法，适用于混合模-数波束赋形架构下宽带毫米波大规模MIMO系统，包括：

步骤一、在每个相干时间内，基站根据用户的信道信息为基站射频链路分配天线组，基站中每个用户对应的射频链路与为该用户分配的天线组全连接；天线分组时，针对每个用户u，将该用户的所有子载波信道矩阵进行堆叠获得用户等效子信道H_u；计算所有用户的用户等效子信道H₁,…,H_U中所有列矢量的F-范数，找到F-范数最大者对应的列和用户，记为i^opt和u^opt，将列i^opt对应的天线分配给用户u^opt；然后将F-范数次大者所在列对应的天线分配给相应用户，以此类推，完成所有天线分组；在进行天线分组时，同一天线只能分配给一个用户；

步骤二、采用基于码本的贪婪算法，逐射频链路寻找基站和用户码本中使得等效信道能量最大的基站码字、用户码字及对应用户，利用找到的基站码字结合天线分组情况生成基站模拟波束赋形器，并利用找到的用户码字生成用户模拟波束赋形器；

步骤三、根据用户模拟波束赋形器和基站模拟波束赋形器设计基站端和用户端的数字波束赋形器。

优选地，所述步骤一包括：

步骤1.1、设置未被分配的天线索引集合为：

N_t为基站装配的天线数量；用户集合为：

U为用户总数；为各个用户对应的射频链路分配的天线集合为空集：

步骤1.2、在相干时间内，基站针对每个用户将该用户的所有子载波信道矩阵进行堆叠，获得用户等效子信道：

其中，H_u为用户u的用户等效子信道；

为用户u的第k个子载波信道矩阵，上角标T为矩阵转置，K为子载波总数；

步骤1.3、寻找信道能量最大的天线索引：

从集合

中的所有用户的用户等效子信道矩阵H₁,…,H_U中，选择F-范数最大的列矢量，该列矢量的序号i就是所对应的天线索引，且该天线索引属于未被分配的天线索引集合

中，则将i记为i^opt；将F-范数最大的列矢量所在的H_u的u所表达的用户记为u^opt；

步骤1.4、天线分配与剔除

将天线索引i^opt加入到u^opt对应的天线集合

中；同时，在未被分配的天线索引集合

中剔除该天线索引i^opt；当用户u^opt对应的天线集合

中的天线索引数量达到N_t/U，从用户集合

中剔除该用户u^opt；

步骤1.5、输出天线分组集合

当有天线索引集合

为空时，输出天线分组集合

否则回到步骤1.3。

优选地，所述步骤二包括：

从基站码本中为基站选取码字，从用户码本中为各用户选取码字，找出使信道能量最大化的基站码字

用户及用户码字

将选出的基站码字

和用户码字

以从右侧添加的方式补充到服务用户u^opt的基站模拟波束赋形器和用户u^opt的模拟波束赋形器中；重复选取码字和补充到赋形器的操作，从而获得所有用户的用户模拟波束赋形器和基站模拟波束赋形器。

优选地，所述步骤一定义对角矩阵

来映射用户对应的射频链路与天线的关系，下角标u表示用户u，其中c_u,i是对角矩阵C_u上的第i个元素；根据步骤一的分组结果，当天线i分配给用户u，则c_u,i＝1，否则c_u,i＝0；

所述步骤二包括：

步骤2.1、初始化

令用户集合

U为用户总数；基站模拟波束赋形器F和用户u的用户模拟波束赋形器M_u均设置为空矩阵，F＝[F₁ … F_U]，其中F_u为服务第u个用户的基站模拟波束赋形器；循环计数器j＝0；

步骤2.2、从基站码本和用户码本中，找出使基站与用户之间的信道能量最大化的基站码字

用户u^opt的用户码字

步骤2.3、将步骤2.2选出的基站码字

和用户码字

分别补充到基站模拟波束赋形器和用户模拟波束赋形器中：

令服务第u^opt个用户的基站模拟波束赋形器为

表示将列向量

补充到当前矩阵

最右，使之成为新的矩阵

令第u^opt个用户的用户模拟波束赋形器为

表示将将列

补充到当前矩阵

最右，使之成为新的矩阵

步骤2.4、将步骤2.2选出的基站码字

从基站码本中剔除，将用户码字

从用户u^opt的码本中剔除；

步骤2.5、判断用户模拟波束赋形器是否设计完毕：

判断第u^opt个用户的模拟波束赋形器为

的列向量数目是否达到用户所需支持的数据流总量N_s；若是，则将该用户u^opt从用户集合

中剔除；否则不作处理；

步骤2.6、判断基站模拟波束赋形器是否设计完毕：

令循环计数器j自加一，判断j是否大于或等于UN_s；若是，则输出设计结果F和M_u；否则重复步骤2.2。

优选地，所述步骤三采用基于最小均方误差准则推导出的基站端和用户端的数字波束赋形器，迭代设计基站端和用户端的数字波束赋形器，具体包括：

步骤3.1、初始化

设第u个用户的用户数字波束赋形器为V_u[k]，所有用户的用户数字波束赋形器整合成为矩阵V[k]＝[V₁[k] … V_U[k]]；令初始的用户数字波束赋形器V[k]对角线元素为1，其余均为0，k＝1,…,K，u＝1,…,U，所有子载波初始的基站数字波束成形器W[k]为零矩阵，迭代计数器t＝0，给定迭代精度为ε；

步骤3.2、设计基站数字波束赋形器

寄存上一次迭代的基站数字波束赋形器W^old[k]＝W[k]，令本次迭代更新

其中，β[k]为基站数字波束赋形器的归一化因子，μ[k]为拉格朗日乘子，上角标H表示对矩阵做共轭转置，W[k]＝[W₁[k] … W_U[k]]，其中W_u[k]为第u个用户的基站数字波束赋形器，F＝[F₁ … F_U]，其中F_u为服务第u个用户的基站模拟波束赋形器，H_eff[k]为数字域等效信道；

步骤3.3、设计用户数字波束赋形器

寄存上一次迭代的用户数字波束赋形器

令本次迭代

更新V[k]＝[V₁[k] … V_U[k]]；其中，σ为噪声标准差；

步骤3.4、判断设计结果是否满足收敛要求

令迭代计数器t自加1，判断是否达到跳出条件，如果未达到，则重复步骤3.2，反之停止迭代。

有益效果：

(1)本发明为了针对不同用户采用不同天线组进行服务，利用F-范数所表征的信道状况对天线进行自适应的分组，分组后的天线与用户链路全连接，与现有技术中全连接的波束成形设计方案相比能显著减小能耗和硬件复杂度，与现有技术中针对射频链路进行分组的设计方案相比能支持用户多流的情景。而且采用F-范数从高到低的选取方式，能够保证信道性能。

(2)本发明在设计基站端和用户端模拟波束赋形器时，对传统的基于码本的模拟波束赋形设计方法进行改进，逐射频链路寻找基站和用户码本中使得等效信道能量最大的码字，使得该方法能针对本发明天线阵列部分连接的系统进行波束赋形设计，消除用户之间的干扰。

(3)本发明在设计基站端和用户端数字波束赋形器时，采用基于最小均方误差准则的迭代设计方案，每次迭代都先设计基站端数字波束赋形器，然后利用该赋形器设计用户端端数字波束赋形器，从而消除用户内部数据流之间的干扰。与现有技术中仅考虑接收/发射一端的最小均方误差波束赋形器的设计方案相比，本发明同时考虑了发射和接收两端协作设计，从而显著提高方案的误码性能。

附图说明

图1为宽带多用户自适应分组波束赋形系统框图。

图2为混合波束赋形器设计算法流程框图。

图3为宽带频率选择性信道下不同波束赋形方案随SNR变化的频谱效率性能对比。

图4为宽带频率选择性信道条件下不同波束赋形方案随SNR变化的BER性能对比。

图5为宽带频率选择性信道下不同波束赋形方案随用户数量变化的频率效率性能对比。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明优选实施例提供了一种宽带多用户场景下基于码本的自适应分组宽带混合波束赋形方案，该方案基于模拟和数字混合波束赋形的架构，利用F-范数所表征的信道状况对天线进行自适应分组，用户链路与分配的天线组进行全连接，不仅保证信道性能，而且解决了传统毫米波系统功耗较大和硬件成本较高的问题；接着针对本发明天线阵列部分连接的系统，采用码本对基站和用户的模拟波束赋形进行设计；最后对基站和用户的数字波束赋形进行设计，从而提高了系统的误比特性能。

在本优选实施方案中，数字波束赋形采用基于最小均方误差准则的迭代设计方案，每次迭代都先设计基站端数字波束赋形器，然后利用该赋形器设计用户端端数字波束赋形器，与现有技术中仅考虑接收/发射一端的最小均方误差波束赋形器的设计方案相比，本发明同时考虑了发射和接收两端协作设计，从而显著提高方案的误码性能。

实现本发明基于的系统建模为：

本发明考虑基于OFDM的多用户大规模MIMO系统中下行信道通信场景，如图1所示，其中基站装配N_t根天线和M_t条射频链路，满足射频数量远小于天线数量。此外，基站可以同时最多服务U个用户，而每个用户装配N_r根天线和M_r条射频链路，同样地满足射频链数量远小于天线数量。每个用户可以支持N_s个数据流传输，则基站可以支持UN_s个数据流传输，为最大程度利用每条射频链路，这里假定数据流与射频链的数量满足N_s＝M_r和UN_s＝M_t。

那么对第u个用户，在第k个子载波，所接收到的信号可以表示为：

其中，x[k]为发送信号，上角标H表示对矩阵做共轭转置，维度为M_r×N_s的矩阵V_u[k]和维度为N_r×M_r的矩阵M_u分别表示第u个用户的用户数字波束赋形器和用户模拟波束赋形器，维度为M_t×UN_s的矩阵W[k]和维度为N_t×M_t的矩阵F分别表示基站数字波束赋形器和基站模拟波束赋形器，n_u[k]表示高斯白噪声，而维度为N_r×N_t的矩阵H_u[k]表示从基站到第u个用户在第k个子载波的频域信道。毫米波信道假定是由N_c个散射簇的贡献之和，其中每个簇中包含N_p条路径且每条路径有一个对应的时延τ_il，因而基站到第u个用户在第d个时延的信道表达式可以写成如下形式

其中

是频域信道系数，而

表示在第i个簇中的第l条路径的复合增益，并且

服从复高斯分布

而

和

分别表示在第i个簇中的第l条路径的水平角和俯仰角，且他们位于用户端而称为到达角；相似地，

和

分别表示在第i个簇中的第l条路径的水平角和俯仰角，且他们位于基站端而称为离开角；每个簇的中心路径角度服从均匀分布，而每一个簇中的路径角度将有一个固定角度扩展常数约束，以保证他们分布在簇心的周围，本文采用

和

分别表示前面四个角度的角度扩展常数；

和

分别表示接收天线和发射天线的阵列响应矢量。在频域，信道矩阵可以被进一步写成

其中D是循环前缀的长度，λ传播波长，

是临界天线间隔，K表示子载波总数。

基于上述建模分析，下面结合图2分步骤地对本发明的混合波束赋形设计过程进行详细描述。

步骤1、基站天线分组设计

传统天线分组设计可以解决单用户多流或者多用户单流等情景，而针对宽带多用户多流情景下的天线分组设计尚是空白。本发明的天线分组设计正是针对宽带多用户多流情景提出的。通过针对用户进行分组，并允许用户天线组内部全连接，本发明克服了传统天线分组方法的局限性。由于本发明主要考虑波束赋形设计，因此假设基站已经获得每个用户的所有子载波的信道。为了进一步降低系统的硬件成本和功耗开销，本发明除了考虑混合架构，此外将进一步考虑部分子连接结构，其主要结构如图1所示，基站对天线按所服务的用户数进行分组，服务某用户的一条或多条射频链仅与自己对应的天线组进行全连接。基站将根据所获得的信道信息进行天线分组。在相干时间内，基站将每个用户的所有子载波信道矩阵进行堆叠，得到用户等效子信道，即

根据上述用户等效子信道，可以通过寻找列矢量F-范数最大的原则来进行天线分组，进行多次循环，每次找到H_u中F-范数最大者对应的列和用户，每列对应一个天线，将列对应的天线分配给用户；然后将F-范数次大者所在列对应的天线分配给相应用户，以此类推，完成所有天线分组。为保证任意两个天线分组不出现重复的天线索引，需要在每次天线分组时剔除已选择的天线，同时也保证了天线索引平均分配到各个天线组。通过天线分组，获得了用户与天线的对应关系，那么久可以根据服务用户的一条或多条射频链，将射频链与天线组进行全连接。

本步骤1的具体实现步骤为：

步骤1.1、初始化

设置未被分配的天线索引集合为：

为各个用户对应的射频链路分配的天线集合为空集：

用户集合为：

U为用户总数。

步骤1.2、在相干时间内，基站针对每个用户将该用户的所有子载波信道矩阵进行堆叠，获得用户等效子信道：

其中，H_u为用户u的用户等效子信道；

为用户u的第k个子载波信道矩阵，上角标T表示矩阵转置，K为子载波总数。

步骤1.3、寻找信道能量最大的天线索引

从集合

中的所有用户等效子信道矩阵H₁,…,H_U中，选择F-范数最大的列矢量，该列矢量的序号i就是所对应的天线索引，且该天线索引属于未被分配的天线索引集合

中，则将i记为i^opt，将F-范数最大的列矢量所在的H_u的u所表达的用户记为u^opt。即

其中

表示矩阵H_u中的第i列元素。其中，上角标opt表示最优。

步骤1.4、天线分配与剔除

将前面步骤所得到的天线索引i^opt分配到u^opt对应的天线集合

中，即表达为

同时，在未被分配的天线集合

中剔除该天线索引i^opt，即表达为

特别地，当第u^opt个用户对应的天线集合

中的天线索引数量达到N_t/U，从用户集合

中剔除该用户u^opt，即表达为

步骤1.5、输出天线分组集合

当有天线索引都被分配时，即

时，输出天线分组集合

否则回到步骤1.3。

步骤1.6、输出天线分组映射矩阵

定义对角矩阵

来映射用户对应的射频链与天线的关系，其中c_u,i是对角矩阵C_u上的第i个元素。根据1.5输出的分组结果，当天线i分配给用户u，即天线索引i在集合

中时，则c_u,i＝1，否则c_u,i＝0。

步骤2、模拟波束赋形设计

本步骤将根据前面的天线分组进行模拟波束赋形设计，本发明基于相移网络结构实现的模拟波束赋形器，因而模拟波束赋形器需要满足恒模约束条件。此外，为了降低模拟波束赋形设计的复杂度，本发明考虑基于离散傅里叶变换码本来设计模拟波束赋形器，其中每个码字可以写成

其中ω_v和ω_h分别表示在垂直方向上和水平方向上的空间弧度，N_v和N_h分别为均匀面阵在垂直和水平方向上的天线阵元个数，n＝0,…,N_v-1，m＝0,…,N_h-1。基站码本表示为

用户码本表示为

本步骤从基站码本中为基站选取码字，从用户码本中为各用户选取码字，找出使信道能量最大化的基站码字

用户及用户码字

将选出的基站码字

和用户码字

以从右侧添加的方式补充到服务用户u^opt的基站模拟波束赋形器和用户u^opt的模拟波束赋形器中；重复选取码字和补充到赋形器的操作，从而获得所有用户的用户模拟波束赋形器和基站模拟波束赋形器。

下面将给出具体实现步骤：

步骤2.1、初始化。

令

基站模拟波束赋形器F＝[F₁…F_U](其中F_u为服务第u个用户的基站模拟波束赋形器)和用户模拟波束赋形器M_u均设置为空矩阵，循环计数器j＝0。

步骤2.2、从基站码本和用户码本中，找出使信道能量最大化的基站码字、用户及用户码字，这三个参数依次记为

找出

和

使得宽带信道能量

最大。

步骤2.3、将上一步选出的基站码字

和用户码字

分别补充到基站模拟波束赋形器和用户模拟波束赋形器中。

本步骤令服务第u^opt个用户的基站模拟波束赋形器为

(该记号表示将列向量

补充到当前矩阵

最右，使之成为新的矩阵

)；

第u^opt个用户的用户模拟波束赋形器为

(表示将列

补充到当前矩阵

最右，使之成为新的矩阵

)。

步骤2.4、将步骤2.2选出的码字从码本中剔除。

将步骤2.2选出的基站码字

从基站码本中剔除，即令基站码本

将用户码字

从用户u^opt的码本中剔除，即令第u^opt个用户的码本

步骤2.5、判断用户模拟波束赋形器是否设计完毕

判断第u^opt个用户的模拟波束赋形器为

的列向量数目是否达到用户所需支持的数据流总量N_s。若是，则将该用户u^opt从用户集合

中剔除，即

即；否则不作处理。

步骤2.6、判断基站模拟波束赋形器是否设计完毕

令循环计数器j自加一，判断j是否大于或等于UN_s。若是，则输出设计结果F和M_u；否则重复步骤2.2。

步骤3、数字波束赋形设计

本步骤将根据前面两步设计出的自适应阵列下的模拟波束赋形器，采用基于最小化均方误差准则迭代设计基站端和用户端的数字波束赋形器。令基站与第u个用户的等效数字域信道为

且所有用户的等效数字域信道可表示为

设第u个用户的基站数字波束赋形器为W_u[k]，则所有用户的基站数字波束赋形器可整合成为矩阵W[k]＝[W₁[k] … W_U[k]]，第u个用户的用户数字波束赋形器为V_u[k]，所有用户的用户数字波束赋形器可整合成为矩阵V[k]＝[V₁[k] … V_U[k]]。则最小均方误差准则可写作

其中，

表示求数学期望，tr表示求矩阵的迹，x_u[k]为发送给第u个用户的信号，β[k]为基站数字波束赋形器的归一化因子，σ为噪声标准差。考虑到基站发射机和用户接收机的功率限制，采用拉格朗日乘子法，可将被优化函数写作

其中μ[k]为拉格朗日乘子，

为基站和用户模拟波束成形的最大功率。根据该标准，可迭代设计W[k]和V_u[k]使得L最小化。

下面给出具体实现步骤：

步骤3.1、初始化

令初始所有子载波所有用户整合而成的数字波束赋形器V[k]对角线元素为1，其余均为0(k＝1,…,K)，所有子载波初始基站端数字波束成形器W[k]为零矩阵(k＝1,…,K)，迭代计数器t＝0(或输入迭代精度ε)。

步骤3.2、设计基站数字波束赋形器

寄存上一次迭代的基站端数字波束赋形器W^old[k]＝W[k]，令本次迭代更新

步骤3.3、设计用户数字波束赋形器

寄存上一次迭代的用户数字波束赋形器

令本次迭代

其中，W_u[k]为第u个用户的数字波束赋形器，满足W[k]＝[W₁[k] … W_U[k]]，更新V[k]＝[V₁[k] …V_U[k]]。

步骤3.4、判断设计结果是否满足收敛要求

令迭代计数器t自加1。判断是否达到跳出条件，跳出条件可以是判断t<N是否成立，或判断

是否成立，若成立则重复步骤3.2，反之停止迭代。

本发明的仿真结果如图3、4、5所示。其中，图3为宽带频率选择性信道下不同波束赋形方案随SNR变化的频谱效率性能对比，图4为宽带频率选择性信道条件下不同波束赋形方案随SNR变化的BER性能对比。图3和图4均选择了全连接方案、动态子连接方案、水平分组的固定子连接方案，垂直分组的固定子连接方案、方格分组的固定子连接方案、嵌入分组的固定子连接方案共6种方案进行对比。图5为宽带频率选择性信道下不同波束赋形方案随用户数量变化的频率效率性能对比，该图选择了全连接方案、动态子连接方案、水平分组的固定子连接方案，垂直分组的固定子连接方案共4种方案进行对比。从图中可以观察到本发明的动态链接方案在频谱效率和误码性能上均优于固定链接方案，近似于全连接方案。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (5)

1.一种基于码本的自适应分组宽带混合波束赋形设计方法，适用于混合模-数波束赋形架构下宽带毫米波大规模MIMO系统，其特征在于，包括：

步骤一、在每个相干时间内，基站根据用户的信道信息为基站射频链路分配天线组，基站中每个用户对应的射频链路与为该用户分配的天线组全连接；天线分组时，针对每个用户u，将该用户的所有子载波信道矩阵进行堆叠获得用户等效子信道H_u；计算所有用户的用户等效子信道H₁,…,H_U中所有列矢量的F-范数，找到F-范数最大者对应的列和用户，记为i^opt和u^opt，将列i^opt对应的天线分配给用户u^opt；然后将F-范数次大者所在列对应的天线分配给相应用户，以此类推，完成所有天线分组；在进行天线分组时，同一天线只能分配给一个用户；

步骤二、采用基于码本的贪婪算法，逐射频链路寻找基站和用户码本中使得等效信道能量最大的基站码字、用户码字及对应用户，利用找到的基站码字结合天线分组情况生成基站模拟波束赋形器，并利用找到的用户码字生成用户模拟波束赋形器；

步骤三、根据用户模拟波束赋形器和基站模拟波束赋形器设计基站端和用户端的数字波束赋形器。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一包括：

步骤1.1、设置未被分配的天线索引集合为：

N_t为基站装配的天线数量；用户集合为：

U为用户总数；为各个用户对应的射频链路分配的天线集合为空集：

步骤1.2、在相干时间内，基站针对每个用户将该用户的所有子载波信道矩阵进行堆叠，获得用户等效子信道：

其中，H_u为用户u的用户等效子信道；

为用户u的第k个子载波信道矩阵，上角标T为矩阵转置，K为子载波总数；

步骤1.3、寻找信道能量最大的天线索引：

从集合

中的所有用户的用户等效子信道矩阵H₁,…,H_U中，选择F-范数最大的列矢量，该列矢量的序号i就是所对应的天线索引，且该天线索引属于未被分配的天线索引集合

中，则将i记为i^opt；将F-范数最大的列矢量所在的H_u的u所表达的用户记为u^opt；

步骤1.4、天线分配与剔除

将天线索引i^opt加入到u^opt对应的天线集合

中；同时，在未被分配的天线索引集合

中剔除该天线索引i^opt；当用户u^opt对应的天线集合

中的天线索引数量达到N_t/U，从用户集合

中剔除该用户u^opt；

步骤1.5、输出天线分组集合

当有天线索引集合

为空时，输出天线分组集合

否则回到步骤1.3。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二包括：

从基站码本中为基站选取码字，从用户码本中为各用户选取码字，找出使信道能量最大化的基站码字

用户及用户码字

将选出的基站码字

和用户码字

以从右侧添加的方式补充到服务用户u^opt的基站模拟波束赋形器和用户u^opt的模拟波束赋形器中；重复选取码字和补充到赋形器的操作，从而获得所有用户的用户模拟波束赋形器和基站模拟波束赋形器。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一定义对角矩阵

来映射用户对应的射频链路与天线的关系，下角标u表示用户u，其中c_u,i是对角矩阵C_u上的第i个元素；根据步骤一的分组结果，当天线i分配给用户u，则c_u,i＝1，否则c_u,i＝0；

所述步骤二包括：

步骤2.1、初始化

令用户集合

U为用户总数；基站模拟波束赋形器F和用户u的用户模拟波束赋形器M_u均设置为空矩阵，F＝[F₁ … F_U]，其中F_u为服务第u个用户的基站模拟波束赋形器；循环计数器j＝0；

步骤2.2、从基站码本和用户码本中，找出使基站与用户之间的信道能量最大化的基站码字

用户u^opt的用户码字

步骤2.3、将步骤2.2选出的基站码字

和用户码字

分别补充到基站模拟波束赋形器和用户模拟波束赋形器中：

令服务第u^opt个用户的基站模拟波束赋形器为

表示将列向量

补充到当前矩阵

最右，使之成为新的矩阵

令第u^opt个用户的用户模拟波束赋形器为

表示将列

补充到当前矩阵

最右，使之成为新的矩阵

步骤2.4、将步骤2.2选出的基站码字

从基站码本中剔除，将用户码字

从用户u^opt的码本中剔除；

步骤2.5、判断用户模拟波束赋形器是否设计完毕：

判断第u^opt个用户的模拟波束赋形器为

的列向量数目是否达到用户所需支持的数据流总量N_s；若是，则将该用户u^opt从用户集合

中剔除；否则不作处理；

步骤2.6、判断基站模拟波束赋形器是否设计完毕：

令循环计数器j自加一，判断j是否大于或等于U·N_s；若是，则输出设计结果F和M_u；否则重复步骤2.2。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三采用基于最小均方误差准则推导出的基站端和用户端的数字波束赋形器，迭代设计基站端和用户端的数字波束赋形器，具体包括：

步骤3.1、初始化

设第u个用户的用户数字波束赋形器为V_u[k]，所有用户的用户数字波束赋形器整合成为矩阵V[k]＝[V₁[k] … V_U[k]]；令初始的用户数字波束赋形器V[k]对角线元素为1，其余均为0，k＝1,…,K，u＝1,…,U，所有子载波初始的基站数字波束成形器W[k]为零矩阵，迭代计数器t＝0，给定迭代精度为ε；

步骤3.2、设计基站数字波束赋形器

寄存上一次迭代的基站数字波束赋形器W^old[k]＝W[k]，令本次迭代更新

其中，β[k]为基站数字波束赋形器的归一化因子，μ[k]为拉格朗日乘子，上角标H表示对矩阵做共轭转置，W[k]＝[W₁[k] … W_U[k]]，其中W_u[k]为第u个用户的基站数字波束赋形器，F＝[F₁ … F_U]，其中F_u为服务第u个用户的基站模拟波束赋形器，H_eff[k]为数字域等效信道，

为基站与第u个用户的等效数字域信道；

步骤3.3、设计用户数字波束赋形器

寄存上一次迭代的用户数字波束赋形器

令本次迭代

更新V[k]＝[V₁[k] … V_U[k]]；其中，σ为噪声标准差；

步骤3.4、判断设计结果是否满足收敛要求

令迭代计数器t自加1，判断是否达到跳出条件，如果未达到，则重复步骤3.2，反之停止迭代。

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