CN112165346A - 一种毫米波通信共享幅度加权模拟波束赋形优化方法 - Google Patents

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CN112165346A CN202010994294.XA CN202010994294A CN112165346A CN 112165346 A CN112165346 A CN 112165346A CN 202010994294 A CN202010994294 A CN 202010994294A CN 112165346 A CN112165346 A CN 112165346A
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Abstract

本发明提出了一种毫米波通信共享幅度加权模拟波束赋形优化方法，包括以下步骤：S1、令第κ个用户端的信道采用莱斯信道模型hκ；S2、令基站端采用等距线阵天线，计算离开角为θ的天线阵列响应矢量α(θ)；S3、假设基站具有K×1的原始信号s要向K个用户端发送，计算共享幅度加权模拟波束成型矩阵FRF；S4、基站端进行共享幅度权值的设计；S5、根据基站端具有的信道状态信息，设计第一级模拟域预编码矩阵。本发明通过优化波束指向的角度进行干扰的规避，因此使得共享幅度加权模拟域波束成型支持多用户通信，抵抗多用户干扰能力进一步提高。

Description

一种毫米波通信共享幅度加权模拟波束赋形优化方法
技术领域
本发明涉及未来5G毫米波大规模天线阵列通信技术领域，尤其涉及一种毫米波通信共享幅度加权模拟波束赋形优化方法。
背景技术
未来5G通信需要更大的带宽，更高的数据速率和频谱效率。毫米波频段拥有巨大的未授权频谱资源，被认为是5G通信中很有前景的选择；同时大规模天线阵列技术通过获得更高的天线增益来抵抗路损；另外，为了提高天线方向增益，提高覆盖能力，波束成型技术得到广泛关注。针对多用户情况，共享幅度加权模拟波束赋形作为一种纯模拟域波束成形技术，通过共享幅度加权降低波束旁瓣水平，降低多用户之间的干扰，使得模拟域波束成形直接应用于多用户通信场景，降低训练开销和硬件成本。但是，对于如果仅仅令波束其指向各用户最强路径，并不能合理规避多用户干扰，得到最优的波束成形性能。
发明内容
基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种毫米波通信共享幅度加权模拟波束赋形优化方法。
本发明提出的一种毫米波通信共享幅度加权模拟波束赋形优化方法，应用场景为：一个基站与K个用户进行下行通信；基站天线有NBS根，射频链数为NRF条；用户侧设备单天线，射频链数为一条；包括以下步骤：
S1、令第κ个用户端的信道采用莱斯信道模型hκ；
S2、令基站端采用等距线阵天线，计算离开角为θ的天线阵列响应矢量α(θ)；
S3、假设基站具有K×1的原始信号s要向K个用户端发送，计算共享幅度加权模拟波束成型矩阵FRF；
S4、基站端基于凯塞窗函数进行共享幅度权值的设计；
S5、根据基站端具有的信道状态信息，设计第一级模拟域预编码矩阵。
优选的，在S1中，莱斯信道模型hκ的计算公式为
Figure BDA0002691983170000021
其中：νk为第κ个用户端信道的莱斯因子，hL,κ为所述基站与第κ个用户端的直视径信道，
Figure BDA0002691983170000022
其中，
Figure BDA0002691983170000023
为第κ个用户端直视径信道的下行离开角，
Figure BDA0002691983170000024
为离开角为
Figure BDA0002691983170000025
的天线阵列响应矢量；hN,κ为所述基站与第κ个用户端散射径信道，
Figure BDA0002691983170000026
其中，L为用户端的散射径信道条数，aκ,l为第κ个用户端第l条散射径信道的路径系数，
Figure BDA0002691983170000027
为第κ个用户端第l条散射径信道的下行离开角，
Figure BDA0002691983170000028
为离开角为的天线阵列响应矢量。
优选的，在S2中，天线阵列响应矢量α(θ)的计算公式为
Figure BDA0002691983170000029
其中：d表示天线间距，λ表示波长,j为虚数单位，且
Figure BDA00026919831700000210
优选的，在S3中，共享幅度加权模拟波束成型矩阵FRF的计算公式为
FRF＝WF；
其中：F是NBS×NRF维第一级模拟域预编码矩阵并由相移器网络构成，且F的元素满足
Figure BDA00026919831700000211
的幅度限制，其中m＝1,2,...,NBS，n＝1,2,...,NRF，(F)m,n为矩阵F的第m行、第n列的元素；W为NBS×NBS维对角共享幅度加权矩阵，由功率放大器构成，并且W的元素满足
Figure BDA00026919831700000212
的功率约束。
优选的，在S4中，基站端基于凯塞窗函数
Figure BDA0002691983170000031
进行共享幅度权值的设计；其中：Wm表示对角共享幅度加权矩阵W的第m个对角线元素，β表示用于调节波束主瓣宽度和旁瓣水平的调节因子；I0表示第一类零阶修正贝塞尔函数；α表示功率归一化因子。
优选的，在S5中，在基站端具有完美的瞬间信道信息时，执行以下步骤：
S51、以用户直视径信道离开角作为波束指向初始值，根据
Figure BDA0002691983170000032
进行波束指向初始化；其中：Θ0表示第0次迭代中各波束指向的角度向量，
Figure BDA0002691983170000033
表示第κ个用户直视径信道的离开角；
S52、用梯度上升法寻找局部最优解，计算第p+1次迭代得到的波束指向角度向量Θ(p+1)：
Figure BDA0002691983170000034
其中：η为学习率，
Figure BDA0002691983170000035
是函数
Figure BDA0002691983170000036
的梯度矢量，即
Figure BDA0002691983170000037
其中，
Figure BDA0002691983170000038
表示函数L(Θ)对于Θ中第κ个元素的偏导数，即
Figure BDA0002691983170000039
其中，向量d(θk)的第m个元素为
Figure BDA0002691983170000041
S53、当迭代过程收敛的时候，设计第一级模拟域预编码矩阵F为
Figure BDA0002691983170000042
其中，
Figure BDA0002691983170000043
表示梯度上升法收敛后，第κ个波束指向角度的局部最优解。
优选的，在S5中，在基站端具有部分信道信息，执行以下步骤：
S54、用平均信道信息来代替瞬时信道信息，计算平均信道信息
Figure BDA0002691983170000044
Figure BDA0002691983170000045
S55、执行步骤S51至步骤S53，执行过程中用平均信道信息
Figure BDA0002691983170000046
代替瞬时信道状态信息hk。
本发明提出的一种毫米波通信共享幅度加权模拟波束赋形优化方法，在共享幅度加权模拟波束成形技术中，通过优化由相移器网络形成的波束指向角度来降低用户干扰；在具有完整信道状态信息的情况下，通过梯度上升算法，在各用户最强径附近寻找局部最优解；在仅有部分信道状态信息，即各用户所有路径的AoD的情况下，用平均信道状态信息替代完整信道状态信息进行波束指向优化。
本发明通过优化波束指向的角度进行干扰的规避，因此使得共享幅度加权模拟域波束成型支持多用户通信，抵抗多用户干扰能力进一步提高；本发明作为纯模拟域波束成型技术，通过优化波束指向，在多径稀疏的场景中，大大降低多用户间干扰，解决了纯模拟波束成形方案不适合应用在多用户通信场景的固有缺陷；本发明仅必需信道的离开角进行波束指向优化，不必需信道的路径系数，大大降低训练开销；本发明实现在去掉数字波束成形部分之外又不引入额外的硬件组件，从而大大降低系统硬件成本，又提高能效。
附图说明
图1为本发明提出的毫米波通信共享幅度加权模拟波束赋形技术架构图；
图2为本发明在不同传输符号信噪比下的性能仿真及与其他算法的性能对比图。
具体实施方式
参照图1，本发明提出一种毫米波通信共享幅度加权模拟波束赋形优化方法，应用场景为：一个基站与K个用户进行下行通信；基站天线有NBS根，射频链数为NRF条；用户侧设备单天线，且射频链数为一条；包括以下步骤：
S1、令第κ个用户端的信道采用莱斯信道模型hκ：
Figure BDA0002691983170000051
其中：
νk为第κ个用户端信道的莱斯因子，hL,κ为所述基站与第κ个用户端的直视径信道，
Figure BDA0002691983170000052
其中，
Figure BDA0002691983170000053
为第κ个用户端直视径信道的下行离开角，
Figure BDA0002691983170000054
为离开角为
Figure BDA0002691983170000055
的天线阵列响应矢量；
hN,κ为所述基站与第κ个用户端散射径信道，
Figure BDA0002691983170000056
其中，L为用户端的散射径信道条数，aκ,i为第κ个用户端第l条散射径信道的路径系数，
Figure BDA0002691983170000057
为第κ个用户端第l条散射径信道的下行离开角，
Figure BDA0002691983170000058
为离开角为的天线阵列响应矢量。
S2、令基站端采用等距线阵天线，计算离开角为θ的天线阵列响应矢量α(θ)：
Figure BDA0002691983170000059
其中：d表示天线间距，λ表示波长,j为虚数单位，且
Figure BDA00026919831700000510
S3、假设基站具有K×1的原始信号s要向K个用户端发送，计算共享幅度加权模拟波束成型矩阵FRF：
FRF＝WF；其中：
F是NBS×NRF维第一级模拟域预编码矩阵并由相移器网络构成，且F的元素满足
Figure BDA0002691983170000061
的幅度限制，其中m＝1,2,...,NBS，n＝1,2,...,NRF；(F)m,n为矩阵F的第m行、第n列的元素；
W为NBS×NBS维对角共享幅度加权矩阵，由功率放大器构成，并且W的元素满足
Figure BDA0002691983170000062
的功率约束。
S4、基站端基于凯塞窗函数
Figure BDA0002691983170000063
进行共享幅度权值的设计；其中：Wm表示对角共享幅度加权矩阵W的第m个对角线元素，β表示用于调节波束主瓣宽度和旁瓣水平的调节因子；I0表示第一类零阶修正贝塞尔函数；α表示功率归一化因子。
S5、根据基站端具有的信道状态信息，设计第一级模拟域预编码矩阵：
对于第一级模拟域预编码矩阵的设计，在传统的混合波束成型技术中，一般以最大化每个用户的方向增益为目标来设计模拟波束成型，此时仅需要各波束指向各用户的最强径的AoD，之后通过数字域的波束成型进行多用户的干扰消除。但是在纯模拟波束成型中，由于不引入数字域波束成型，需要进一步优化波束指向来进行干扰的规避。
这里面针对两种情况分别进行设计：
A、在基站端具有完美的瞬间信道信息时，执行以下步骤：
S51、以用户直视径信道离开角作为波束指向初始值，根据
Figure BDA0002691983170000071
进行波束指向初始化；其中：Θ0表示第0次迭代中各波束指向的角度向量，
Figure BDA0002691983170000072
表示第κ个用户直视径信道的离开角；
S52、在具有完美的瞬时信道信息的情况下，利用
Figure BDA0002691983170000073
Figure BDA0002691983170000074
将共享幅度加权模拟波束赋形中第一级模拟域预编码矩阵的设计建模为最大化K个用户总的可达速率的问题；
其中：
Figure BDA0002691983170000075
表示噪声的方差；fk表示第一级模拟域预编码矩阵F重点第k列；(F)m,n表示矩阵F中第m行、第n列的元素；
考虑到相移器的恒幅约束，该问题为非凸优化问题，寻找全局最优解很困难。在传统的混合波束成型设计中，常通过在离散傅里叶变换码本中进行搜索来选择模拟域波束成型矢量。这样做的缺点是，码本对于空间角度进行量化，因此存在空间分辨率受限的问题，即实际波束指向与最优方向存在固有量化偏差。为了解决这个问题，我们固定模拟域波束成型矢量为离散傅里叶变换波形形成矢量，并通过梯度上升算法来优化波束指向的角度。利用
Figure BDA0002691983170000076
进行优化问题的建模；其中，θk表示波束指向角度向量Θ中的第k个元素；虽然该问题是非凸的，但是考虑到，各波束指向应该在用户直视径附近，所以以用户直视径的信道离开角作为初始值。
用梯度上升法寻找局部最优解，计算第p+1次迭代得到的波束指向角度向量Θ(p+1)：
Figure BDA0002691983170000081
其中：η为学习率，
Figure BDA0002691983170000082
是函数
Figure BDA0002691983170000083
的梯度矢量，即
Figure BDA0002691983170000084
其中，
Figure BDA0002691983170000085
表示函数L(Θ)对于Θ中第κ个元素的偏导数，即
Figure BDA0002691983170000086
其中，向量d(θk)的第m个元素为
Figure BDA0002691983170000087
S53、当迭代过程收敛的时候，设计第一级模拟域预编码矩阵F为
Figure BDA0002691983170000088
其中，
Figure BDA0002691983170000089
表示梯度上升法收敛后，第κ个波束指向角度的局部最优解。
B、在基站端在没有完美信道状态信息，仅具有部分信道信息，即仅有各用户端所有路径的AoD时，执行以下步骤：
S54、用平均信道信息来代替瞬时信道信息，计算平均信道信息
Figure BDA00026919831700000810
Figure BDA00026919831700000811
其中，除了各用户的所有路径的AoD之外，仅需要得知信道的莱斯因子，考虑到信道莱斯因子在相当长的时间保持不变，并且易于获得，因此需要的训练开销忽略不计，该平均信道信息反映了主径和其余次径的平均路径损耗比例。
S55、执行步骤S51至步骤S53，执行过程中用平均信道信息
Figure BDA0002691983170000091
代替瞬时信道状态信息hk。
参照图2，本发明的共享幅度权值模拟波束成形方案达到的系统总可达速率的由仿真图2表现出来。其中关于仿真参数的设置：NBS＝128,NRF＝16,K＝40。
仿真图2中引入了三种不同的波束成形方法的对比：
1)本发明提出的波束指向优化后的共享幅度加权模拟波束成形方法；
2)未优化波束指向，即仅将波束指向各用户最强径的共享幅度加权模拟波束成形方法；
3)传统的混合波束成形方法，即首先进行信道矩阵奇异值分解，之后对于最大奇异值对应的奇异值向量进行相位提取和量化，来设计模拟域预编码矩阵，接着进行有效信道的估计，数字域波束成形时基于估计所得的有效信道进行迫零预编码实现。以完美信道状态信息下的混合波束成形方案作为性能衡量标准。
图2横坐标为信号传输信噪比(单位为dB)，纵坐标为总的可达速率，表示了采用本发明在不同信道多径数和莱斯系数下的性能仿真图，以及与其他算法的对比,总用户数固定在40,固定导频信噪比为15dB。
从图2中看出，本发明提出的波束指向优化的共享幅度加权模拟波束成形方法优于未经波束指向优化的方法。并且在仅有直视径的情况下，经过波束指向优化的共享幅度加权模拟波束成形性能十分接近完美信道状态信息下的混合波束成型。在信道多径数增多，莱斯因子减小，共享幅度加权模拟波束成形性能会有降低，但是在高传输信号信噪比区域仍然优于基于估计等效信道的混合波束成型方法。并且随着信道多径数增多，莱斯因子减小，波束指向优化带来的性能增益将更加明显。
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 (7)

1.一种毫米波通信共享幅度加权模拟波束赋形优化方法，应用场景为：一个基站与K个用户进行下行通信；基站天线有NBS根，射频链数为NRF条；用户侧设备单天线，射频链数为一条；其特征在于，包括以下步骤：
S1、令第κ个用户端的信道采用莱斯信道模型hκ；
S2、令基站端采用等距线阵天线，计算离开角为θ的天线阵列响应矢量α(θ)；
S3、假设基站具有K×1的原始信号s要向K个用户端发送，计算共享幅度加权模拟波束成型矩阵FRF；
S4、基站端进行共享幅度权值的设计；
S5、根据基站端具有的信道状态信息，设计第一级模拟域预编码矩阵。
2.根据权利要求1所述的毫米波通信共享幅度加权模拟波束赋形优化方法，其特征在于，在S1中，莱斯信道模型hκ的计算公式为
Figure FDA0002691983160000011
其中：νk为第κ个用户端信道的莱斯因子，hL,κ为所述基站与第κ个用户端的直视径信道，
Figure FDA0002691983160000012
其中，
Figure FDA0002691983160000013
为第κ个用户端直视径信道的下行离开角，
Figure FDA0002691983160000014
为离开角为
Figure FDA0002691983160000015
的天线阵列响应矢量；hN,κ为所述基站与第κ个用户端散射径信道，
Figure FDA0002691983160000016
其中，L为用户端的散射径信道条数，aκ,l为第κ个用户端第l条散射径信道的路径系数，
Figure FDA0002691983160000017
为第κ个用户端第l条散射径信道的下行离开角，
Figure FDA0002691983160000018
为离开角为的天线阵列响应矢量。
3.根据权利要求1所述的毫米波通信共享幅度加权模拟波束赋形优化方法，其特征在于，在S2中，天线阵列响应矢量α(θ)的计算公式为
Figure FDA0002691983160000019
其中：d表示天线间距，λ表示波长,j为虚数单位，且
Figure FDA0002691983160000021
4.根据权利要求1-3中任一项所述的毫米波通信共享幅度加权模拟波束赋形优化方法，其特征在于，在S3中，共享幅度加权模拟波束成型矩阵FRF的计算公式为
FRF＝WF；
其中：F是NBS×NRF维第一级模拟域预编码矩阵并由相移器网络构成，且F的元素满足
Figure FDA0002691983160000022
的幅度限制，其中m＝1,2,...,NBS，n＝1,2,...,NRF，(F)m,n为矩阵F的第m行、第n列的元素；W为NBS×NBS维对角共享幅度加权矩阵，由功率放大器构成，并且W的元素满足
Figure FDA0002691983160000023
的功率约束。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的毫米波通信共享幅度加权模拟波束赋形优化方法，其特征在于，在S4中，基站端基于凯塞窗函数
Figure FDA0002691983160000024
进行共享幅度权值的设计；其中：Wm表示对角共享幅度加权矩阵W的第m个对角线元素，β表示用于调节波束主瓣宽度和旁瓣水平的调节因子；I0表示第一类零阶修正贝塞尔函数；α表示功率归一化因子。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的毫米波通信共享幅度加权模拟波束赋形优化方法，其特征在于，在S5中，在基站端具有完美的瞬间信道信息时，执行以下步骤：
S51、以用户直视径信道离开角作为波束指向初始值，根据
Figure FDA0002691983160000025
进行波束指向初始化；其中：Θ0表示第0次迭代中各波束指向的角度向量，
Figure FDA0002691983160000031
表示第κ个用户直视径信道的离开角；
S52、用梯度上升法寻找局部最优解，计算第p+1次迭代得到的波束指向角度向量Θ(p+1)：
Figure FDA0002691983160000032
其中：η为学习率，
Figure FDA0002691983160000033
是函数
Figure FDA0002691983160000034
的梯度矢量，即
Figure FDA0002691983160000035
其中，
Figure FDA0002691983160000036
表示函数L(Θ)对于Θ中第κ个元素的偏导数，即
Figure FDA0002691983160000037
其中，向量d(θk)的第m个元素为
Figure FDA0002691983160000038
S53、当迭代过程收敛的时候，设计第一级模拟域预编码矩阵F为
Figure FDA0002691983160000039
其中，
Figure FDA00026919831600000310
表示梯度上升法收敛后，第κ个波束指向角度的局部最优解。
7.根据权利要求6所述的毫米波通信共享幅度加权模拟波束赋形优化方法，其特征在于，在S5中，在基站端具有部分信道信息，执行以下步骤：
S54、用平均信道信息来代替瞬时信道信息，计算平均信道信息
Figure FDA00026919831600000311
Figure FDA00026919831600000312
S55、执行步骤S51至步骤S53，执行过程中用平均信道信息
Figure FDA00026919831600000313
代替瞬时信道状态信息hk。
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