CN112332882B - 一种基于毫米波全双工中继通信的鲁棒混合收发机设计方法 - Google Patents

一种基于毫米波全双工中继通信的鲁棒混合收发机设计方法 Download PDF

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CN112332882B CN202011172708.7A CN202011172708A CN112332882B CN 112332882 B CN112332882 B CN 112332882B CN 202011172708 A CN202011172708 A CN 202011172708A CN 112332882 B CN112332882 B CN 112332882B
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Abstract

本发明涉及一种基于毫米波全双工中继通信的鲁棒混合收发机设计方法，属于通信技术领域。首先利用自干扰信道的零空间性质，设计出在中继端的干扰消除矩阵。随后利用信道的容量下界作为优化问题，通过注水算法求解到全数字的预编码器，并且将干扰消除矩阵整合到中继端的全数字预编码器中。最后使用具有闭式解的迭代分解方法将全数字收发机分解为混合收发机。

Description

一种基于毫米波全双工中继通信的鲁棒混合收发机设计方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种基于毫米波全双工中继通信的鲁棒混合收发机设计方法。
背景技术
作为下一代移动通信系统的关键技术，毫米波通信系统已经广泛的采纳了模拟和数字收发机混合的结构。与高复杂度的全数字收发机相比，采用混合收发机的形式在大规模的天线阵列下仍然能够提供足够的波束赋形增益并且有更少的硬件限制。在中继系统的参与下，混合收发机设计能够减少传输信号的衰减和增大网络的覆盖范围。此外，与半双工相比，采用全双工的通信方式(信号在中继端能够同时传输和接收)能够达到更高的传输速率[1]。
在全双工系统设计中，关键是移除从发送端到接收端的自干扰。零空间投影方法是一个有效的消除自干扰的方法，它利用自干扰信道的零空间特性，能够良好的消除由自干扰造成的性能损失。
然而，现存的全双工混合收发机设计大多数都是基于完美的信道估计误差，这在实际的工程应用中是不可能实现的。少数设计考虑到了不完美信道估计的情况[2,3]，通过假设信道估计误差是不相关的。然而，由于毫米波估计技术(比如压缩感知算法)引入的信道误差通常是相关的，这限制了上述鲁棒设计的实际实现。因此，如何设计一个基于相关信道估计误差的全双工收发机系统，使其拥有良好的传输速率，成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于毫米波全双工中继通信的鲁棒混合收发机设计方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于毫米波全双工中继通信的鲁棒混合收发机设计方法，该方法包括以下步骤：
1)构建等效矩阵；
2)利用信道容量下界构建优化问题；
3)利用辅助变量S1和S2求解出发送端的全数字处理矩阵Frf和中继的全数字Gfd；
4)令中继的全数字接收机Gr等于信道
Figure BDA0002747792810000011
SVD分解后的左酉矩阵，再令预编码器
Figure BDA0002747792810000021
5)利用MMSE准则求出全数字接收器Wfd；
6)用提出的交替迭代优化方法求解混合预编码器；
7)用同样的交替迭代法求解出预编码器Gt、接收机Gr、接收机W对应的混合解；
8)对Fbb和Gr，bb做归一化令其分别满足发送端和中继的功率约束：
Figure BDA0002747792810000022
可选的，所述1)具体为：
Figure BDA0002747792810000023
其中，
Figure BDA0002747792810000024
是带误差的自干扰信道矩阵，且
Figure BDA0002747792810000025
这里
Figure BDA0002747792810000026
为发送端到中继的信道
Figure BDA0002747792810000027
的SVD分解的左酉矩阵；对等效矩阵其做奇异值分解：
Figure BDA0002747792810000028
这里
Figure BDA0002747792810000029
中的向量构成矩阵
Figure BDA00027477928100000210
的零空间，用其向量构建干扰消除矩阵Csic，使其同样满足
Figure BDA00027477928100000211
可选的，所述2)具体为：
Figure BDA00027477928100000212
Figure BDA00027477928100000213
Figure BDA00027477928100000214
引入辅助变量
Figure BDA00027477928100000215
后，将上述优化问题简化为：
Figure BDA00027477928100000216
Figure BDA00027477928100000217
用注水算法求解；
这里fk，i和hk，i分别为
Figure BDA00027477928100000218
和
Figure BDA00027477928100000219
的特征值，
Figure BDA00027477928100000220
和
Figure BDA00027477928100000221
分别表示为：
Figure BDA0002747792810000031
Figure BDA0002747792810000032
求解出后，fk，i由特征值重新构造
Figure BDA0002747792810000033
和
Figure BDA0002747792810000034
可选的，所述6)具体为：
61)固定
Figure BDA0002747792810000035
用
Figure BDA0002747792810000036
更新
Figure BDA0002747792810000037
62)固定
Figure BDA0002747792810000038
用
Figure BDA0002747792810000039
更新
Figure BDA00027477928100000310
63)迭代上述61)和62)，直到满足迭代终止条件。
本发明的有益效果在于：运用自干扰信道的零空间进行干扰消除，使对全双工系统的设计简化为半双工系统，然后利用信道容量下界构建优化问题求解对应的全数字收发机，最后利用具有闭式解的迭代分解方法得到混合的收发机。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1是发明提出的全数字设计方案和混合设计方案与文献[5]中的方案在不同SNR下的传输速率对比。
图2是发明提出的混合设计方案与文献[7]中的半双工方案在不同SNR下的传输速率对比。
图3是发明提出的交替迭代方法与文献[6]中的PE-AltMin分解算法在不同SNR下的传输速率对比。
图4是基于本发明的混合收发机设计方案的相关信道误差模型和不相关信道误差模型在不同SNR下的传输速率对比。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1是发明提出的全数字设计方案和混合设计方案与文献[5]中的方案在不同SNR下的传输速率对比。其中场景1是传输数据流为4个比特的情况，场景2是传输数据流为2个比特的情况。
图2是发明提出的混合设计方案与文献[7]中的半双工方案在不同SNR下的传输速率对比。其中场景1是传输数据流为4个比特的情况，场景2是传输数据流为2个比特的情况
图3是发明提出的交替迭代方法与文献[6]中的PE-AltMin分解算法在不同SNR下的传输速率对比。其中INR为自干扰对噪声的比值，分别在INR＝10和INR＝30两个场景进行对比。
图4是基于本发明的混合收发机设计方案的相关信道误差模型和不相关信道误差模型在不同SNR下的传输速率对比。其中INR为自干扰对噪声的比值，分别在INR＝10和INR＝30两个场景进行对比。
毫米波全双工中继通信系统的鲁棒混合收发机设计算法的实施方式为：
(1)毫米波信道模型
毫米波信道模型H1(发送端到中继)和H2(中继到接收端)可以表示为：
Figure BDA0002747792810000041
其中，K表示总传播路径数；Ar和At由传输和接收响应向量
Figure BDA0002747792810000042
和
Figure BDA0002747792810000043
组成，天线阵列为均匀线性阵列。
自干扰信道可以表示为：
Figure BDA0002747792810000051
Hlos表示信道的LoS部分，和中继端的发送和接受天线阵列的位置和角度有关；Hnlos表示信道的反射部分，同样遵从毫米波信道模型：Hnlos＝ArΛAt。
提出的相关信道估计误差模型表示为：
Figure BDA0002747792810000052
这里
Figure BDA0002747792810000053
表示相对实际信道H的估计信道，N表示误差矩阵，
Figure BDA0002747792810000054
为误差处理矩阵，X为导频信号序列。信道估计误差存在于H1、H2和自干扰信道的反射部分Hnlos，而信号在自干扰信道的LoS部分的传播是稳定的故不存在估计误差。
(2)系统模型
根据全双工的中继策略，在接收端的估计信号可以表示为：
Figure BDA0002747792810000055
其中F＝FrfFbb为发送端的处理矩阵，Frf和Fbb分别为为模拟和数字预编码器；Gt＝Gt，rfGt，bb和Gr＝Gr，rfGr，bb分别为中继端的混合预编码器和混合接收机，W＝WrfWbb为接收端的混合接收机。
(3)鲁棒混合收发机设计
在误差被完全消除的情况下，上式中的第二项应该为零，即
Figure BDA0002747792810000056
利用这点，构建等效矩阵：
Figure BDA0002747792810000057
其中，
Figure BDA0002747792810000058
是带有估计误差的自干扰信道矩阵，且
Figure BDA0002747792810000059
这里
Figure BDA00027477928100000510
为发送端到中继的信道
Figure BDA00027477928100000511
的SVD分解的左酉矩阵。等效矩阵的零空间可以做奇异值分解得到：
Figure BDA00027477928100000512
这里矩阵
Figure BDA00027477928100000513
中的向量构成了等效矩阵
Figure BDA00027477928100000514
的零空间，且能提供足够的维度使得
Figure BDA00027477928100000515
于是可以利用
Figure BDA00027477928100000516
中的向量构建干扰消除矩阵Csic，使其同样满足
Figure BDA00027477928100000517
在对自干扰进行消除后(由于信道估计存在误差，实际的自干扰并不能完全消除，但零空间投影法仍然能够大幅度地抑制自干扰)，此时的系统可以简化为传统的半双工中继系统，即接收信号可以近似为
Figure BDA0002747792810000061
对于半双工中继系统，MMSE接收机可以表示为：
Figure BDA0002747792810000062
其中，
Figure BDA0002747792810000063
Figure BDA0002747792810000064
和
Figure BDA0002747792810000065
分别是两个传播信道的噪声方差。其对应的MSE矩阵可以表示为：
Figure BDA0002747792810000066
根据MSE矩阵，构建基于信道容量下界的优化问题如下：
Figure BDA0002747792810000067
Figure BDA0002747792810000068
Figure BDA0002747792810000069
由于变量耦合，直接求解上述问题会变得十分复杂。通过引入下面的辅助变量：
Figure BDA00027477928100000610
Figure BDA00027477928100000611
这里
Figure BDA00027477928100000612
于是，原始优化问题的求解可以转化为求解如下的优化问题：
Figure BDA00027477928100000613
Figure BDA00027477928100000614
这里fk，i和hk，i分别为
Figure BDA00027477928100000615
和
Figure BDA00027477928100000616
的特征值，
Figure BDA00027477928100000617
和
Figure BDA00027477928100000618
分别表示为：
Figure BDA00027477928100000619
Figure BDA00027477928100000620
上述的优化问题可以通过经典的注水算法解决。由特征值重新构造
Figure BDA00027477928100000621
和
Figure BDA00027477928100000622
后即可通过上述表达式得到S1和S2，从而得到全数字的预编码器Ffd和Gfd。这里的Gfd是一个矩阵，我们需要由它得到中继预编码矩阵Gt。前面已知中继接收机
Figure BDA00027477928100000623
于是可令
Figure BDA00027477928100000624
Figure BDA00027477928100000625
这样，全数字的Ffd、Gt、Gr已得到。最后接收端的接收机可以有MMSE准则得到：
Figure BDA0002747792810000071
这样所有的全数字收发机都已求解完毕。
在毫米波系统中采用全数字收发机需要极大的硬件成本，而模拟和数字混合的形式则能节约硬件成本并且具有接近全数字的性能。混合收发机可通过最小化全数字处理器和其对应的混合处理器的欧氏距离来实现，以发送端的预编码器为例，优化问题可以表示为：
Figure BDA0002747792810000072
Figure BDA0002747792810000073
Figure BDA0002747792810000074
其中，Frf和Fbb分别是模拟和数字部分的预编码器。在发送端具有传输功率约束，即上述问题的第一个约束。Frf由于是由移相器构成的模拟处理器，故有恒模约束(矩阵每个元素的幅度为1)，及上述问题的第二个约束。已经证明[4]，如果无功率约束的混合解FrfFbb足够接近全数字解Ffd，则对应的有约束的混合解与Ffd也能有相同程度的欧式距离。所以可以暂时忽略约束，用交替优化的方法将上述问题拆分为如下两个的子问题：
Figure BDA0002747792810000075
Figure BDA0002747792810000076
和
Figure BDA0002747792810000077
此它们是最小二乘问题，其解可以表示为：
Figure BDA0002747792810000078
Figure BDA0002747792810000079
这里
Figure BDA00027477928100000710
表示将矩阵A投影到集合
Figure BDA00027477928100000711
中:
Figure BDA00027477928100000712
其中，m表示第m次迭代过程。通过交替求解两个欧式距离最小化问题，即固定一个变量求解另一个，最终会求得Frf和Fbb。最后，再对数字预编码器做满归一化之后令其满足功率约束，即得到发送端的混合预编码器。由于中继端的处理器Gt和Gr以及接收机W拥有与发送端预编码器一样的结构，故其都能用此交替迭代法求解。
到此，全双工的鲁棒混合收发机求解完毕，整套算法流程可以表示如下：
a)基于零空间投影法构建干扰消除矩阵Gsic。
b)用注水算法求解
Figure BDA0002747792810000081
和
Figure BDA0002747792810000082
c)利用辅助变量S1和S2求解出发送端的全数字处理矩阵Frf和中继的全数字Gfd。
d)令中继的全数字接收机Gr等于信道
Figure BDA0002747792810000083
svd分解后的左酉矩阵，再令预编码器
Figure BDA0002747792810000084
e)利用MMSE准则求出全数字接收器Wfd。
f)固定
Figure BDA0002747792810000085
用
Figure BDA0002747792810000086
更新
Figure BDA0002747792810000087
g)固定
Figure BDA0002747792810000088
用
Figure BDA0002747792810000089
更新
Figure BDA00027477928100000810
h)迭代上述f)和g)步直到满足迭代终止条件。
i)用同样的交替迭代法求解出Gt、Gr、W对应的混合收发机。
k)对Fbb和Gr，bb做归一化令其分别满足发送端和中继的功率约束：
Figure BDA00027477928100000811
Figure BDA00027477928100000812
[1].Z.Zhang,K.Long,A.V.Vasilakos,and L.Hanzo,“Fullduplex wirelesscommunications:Challenges,solutions,and future research directions,”Proc.ofthe IEEE,vol.104,no.7,pp.1369–1409,2016.
[2].Y.Cai,Y.Xu,Q.Shi,B.Champagne,and L.Hanzo,“Robust joint hybridtransceiver design for millimeter wave full-duplex MIMO relay systems,”IEEETrans.Wireless Commun.,vol.18,no.2,pp.1199–1215,2019.
[3].M.M.Zhao,Y.Cai,M.J.Zhao,Y.Xu,and L.Hanzo,“Robust joint hybridanalog-digital transceiver design for full-duplex mmWave multicell systems,”IEEE Trans.Commun.,vol.68,no.8,pp.4788–4802,2020.
[4].Z.Luo,L.Zhao,H.Liu,and Y.Li,“Robust hybrid beamforming inmillimeter wave systems with closed-form least-square solutions,”IEEEWireless Commun.Lett.,Early Acess.
[5].Y.Zhang,M.Xiao,S.Han,M.Skoglund,and W.Meng,“On precoding andenergy efficiency offull-duplex millimeterwave relays,”IEEE Trans.WirelessCommun.,vol.18,no.3,pp.1943–1956,2019.
[6].X.Yu,J.Shen,J.Zhang,and K.B.Letaief,“Alternating minimizationalgorithms for hybrid precoding in millimeter wave MIMO systems,”IEEEJ.Sel.Topics Signal Process.,vol.10,no.3,pp.485–500,2016.
[7].L.Jiang and H.Jafarkhani,“mmWave amplify-and-forward MIMO relaynetworks with hybrid precoding/combining design,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.19,no.2,pp.1333–1346,2020.
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于毫米波全双工中继通信的鲁棒混合收发机设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)构建等效矩阵；
2)利用信道容量下界构建优化问题；
3)利用辅助变量S1和S2求解出发送端的全数字处理矩阵Frf和中继的全数字Gfd；
中继的全数字为：中继的全数字信号处理矩阵；
4)令中继的全数字接收机Gr等于信道
Figure FDA0003510739480000011
SVD分解后的左酉矩阵，再令预编码器
Figure FDA0003510739480000012
5)利用最小均方误差准则求出全数字接收器Wfd；
6)用交替迭代优化方法求解混合预编码器；
7)用同样的交替迭代法求解出预编码器Gt、接收机Gr、接收机W对应的混合解；
8)对发送端数字预编码矩阵Fbb和中继接收端数字预编码矩阵Gr，bb做归一化令其分别满足发送端和中继的功率约束：
Figure FDA0003510739480000013
2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波全双工中继通信的鲁棒混合收发机设计方法，其特征在于：所述1)具体为：
Figure FDA0003510739480000014
其中，
Figure FDA0003510739480000015
是带误差的自干扰信道矩阵，且
Figure FDA0003510739480000016
这里
Figure FDA0003510739480000017
为发送端到中继的信道
Figure FDA0003510739480000018
的SVD分解的左酉矩阵；对等效矩阵其做奇异值分解：
Figure FDA0003510739480000019
这里
Figure FDA00035107394800000110
中的向量构成矩阵
Figure FDA00035107394800000111
的零空间，用其向量构建干扰消除矩阵Csic，使其同样满足
Figure FDA00035107394800000112
3.根据权利要求1所述的一种基于毫米波全双工中继通信的鲁棒混合收发机设计方法，其特征在于：所述2)具体为：
Figure FDA00035107394800000113
Figure FDA00035107394800000114
Figure FDA00035107394800000115
引入辅助变量
Figure FDA0003510739480000021
后，将上述优化问题简化为：
Figure FDA0003510739480000022
Figure FDA0003510739480000023
用注水算法求解；
这里fk，i和hk，i分别为
Figure FDA0003510739480000024
和
Figure FDA0003510739480000025
的特征值，
Figure FDA0003510739480000026
和
Figure FDA0003510739480000027
分别表示为：
Figure FDA0003510739480000028
Figure FDA0003510739480000029
求解出后，fk，i由特征值重新构造
Figure FDA00035107394800000210
和
Figure FDA00035107394800000211
4.根据权利要求1所述的一种基于毫米波全双工中继通信的鲁棒混合收发机设计方法，其特征在于：所述6)具体为：
61)固定
Figure FDA00035107394800000212
用
Figure FDA00035107394800000213
更新
Figure FDA00035107394800000214
62)固定
Figure FDA00035107394800000215
用
Figure FDA00035107394800000216
更新
Figure FDA00035107394800000217
63)迭代上述61)和62)，直到满足迭代终止条件。
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