CN112583440B - 点对点毫米波全双工系统的鲁棒混合收发机设计方法 - Google Patents

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CN112583440B CN202011362334.5A CN202011362334A CN112583440B CN 112583440 B CN112583440 B CN 112583440B CN 202011362334 A CN202011362334 A CN 202011362334A CN 112583440 B CN112583440 B CN 112583440B
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Abstract

本发明属于5G通信领域，涉及一种点对点毫米波全双工系统的鲁棒混合收发机设计方法；所述设计方法包括通过对估计的信道进行奇异值分解，得到模拟收发机；对模拟收发机构造出等效的传输信道，通过等效的传输信道估计部分初始化数字发射机；通过更新数字发射机计算得到数字接收机；基于更新后的数字发射机、模拟发射机和模拟接收机构造出自干扰等效信道；将自干扰等效信道进行奇异值分解得到的零空间作为SIC接收机；计算模拟接收机、数字接收机和SIC接收机的乘积以及所述模拟发射机与数字发射机的乘积，设计得到混合收发机。本发明首先不考虑自干扰，设计出系统混合发射机，设计自干扰消除矩阵加入接收机中，完成混合收发机的设计。

Description

点对点毫米波全双工系统的鲁棒混合收发机设计方法
技术领域
本发明属于5G通信领域，涉及点对点毫米波鲁棒收发机的设计以及通过零空间对系统的自干扰消除，具体是一种点对点毫米波全双工系统的鲁棒混合收发机的设计方法。
背景技术
为了满足未来移动通信业务需求，通信技术的研究朝着更高的频段迈进。近年来，毫米波因其丰富的频谱资源成为第五代移动通信技术的研究重点。它能够达到数十倍于4G的通信速率。此外，Z.Zhang,K.Long,A.V.Vasilakos and L.Hanzo,"Full-DuplexWireless Communications:Challenges,Solutions,and Future Research Directions,"in Proceedings of the IEEE,vol.104,no.7,pp.1369-1409,July 2016,doi:10.1109/JPROC.2015.2497203.表明，在理想情况下，全双工系统能够达到两倍于半双工系统的频谱效率，进一步提高了毫米波系统的通信速率。
在毫米波大规模MIMO系统中，处理器(预编码器/接收机)都采用全数字结构时，需对每一根收发天线配备一条射频链路，这会导致极高的功率消耗以及硬件成本，显然在实际系统中是难以实现的。于是，采用数字处理器与模拟处理器混合的形式，用少量的射频链路去驱动大量收发天线，在牺牲少量性能的情况下，大大降低功耗与硬件成本，成为了毫米波系统处理器设计的主流方向。
毫米波收发机的设计建立在发送端已知信道状态信息(channel stateinformation，简称CSI)的基础之上。由于估计误差等因素，导致了人们在实际应用中无法准确的获取CSI。所以基于不完美CSI的收发机设计更具有现实意义。
全双工系统的自干扰导致了全双工系统的通信速率远远达不到半双工系统的两倍，因此，全双工系统的自干扰消除是一个亟待解决的问题。
发明内容
基于现有技术存在的问题，本发明提供了一种点对点毫米波全双工系统的鲁棒混合收发机设计方法，以设计出能够有效消除全双工系统的自干扰的混合收发机。
本发明提供如下技术方案以解决上述技术问题：
一种点对点毫米波全双工系统的鲁棒混合收发机的设计方法，所述混合收发机的设计方法包括：
通过对估计的信道进行奇异值分解，得到模拟收发机；
对所述模拟收发机构造出等效的传输信道，通过所述等效的传输信道初始化数字发射机；
通过更新所述数字发射机，计算得到数字接收机；
基于更新后的数字发射机、模拟发射机以及模拟接收机，构造出自干扰等效信道；
所述自干扰等效信道进行奇异值分解得到的零空间作为SIC接收机；
计算所述模拟接收机、数字接收机以及SIC接收机的乘积以及所述模拟发射机与数字发射机的乘积，设计得到混合收发机。
本发明的有益效果：
首先，本发明考虑了通信过程中完美的信道状态信息难以获取的问题，采用不完美信道状态信息进行设计，其次，本发明考虑到了全数字收发机的功耗及成本问题，采用混合结构，最后本发明在不考虑自干扰的基础上，设计出包括模拟收发机和数字收发机的鲁棒收发机，在所述鲁棒收发机的基础上，通过设计出了一种新的自干扰消除方法，将等效信道为0的奇异值所对应的特征向量，构成一个自干扰消除矩阵，并将其加入没有功率约束的接收机，使其作为接收机的一部分，能够有效地消除全双工系统的自干扰，从而极大的提高了信道的容量，且保证了发送信号的维度，最后将模拟接收机、数字接收机和SIC接收机组成一个新的接收机，即为本发明的混合接收机。
附图说明
图1为本发明实施例的混合收发机的设计方法流程图；
图2为本发明实施例的数字发射机和数字接收机的更新方法流程图；
图3为在不同天线配置下，本发明的鲁棒混合收发机、鲁棒混合半双工收发机、没有做SIC的鲁棒混合收发机与完美消除SI的全数字收发机在不同SNR下的容量对比图；
图4为不同干噪比(INR)下，本发明的鲁棒混合收发机、鲁棒混合半双工收发机与完美消除SI的全数字收发机在不同SNR下的容量对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例中点对点毫米波全双工系统的鲁棒混合收发机设计方法流程图，如图1所示，所述设计方法包括：
S1、通过对估计的信道进行奇异值分解，得到模拟收发机；
Figure BDA0002804344450000031
Figure BDA0002804344450000032
其中，Fi,rf表示节点i的模拟发射机，Wj,rf表示节点j的模拟接收机，phase[·]表示取相位；(·)m×k位于矩阵第m行第k列的元素，
Figure BDA0002804344450000033
表示估计信道
Figure BDA0002804344450000034
的奇异值分解的右酉矩阵
Figure BDA0002804344450000035
的前NRF列，Hij表示由节点i向节点j发送数据时的信道，且i,j∈{a,b},i≠j。
S2、对所述模拟收发机构造出等效的传输信道，通过所述等效的传输信道初始化数字发射机；
基于上述模拟收发机，本发明可以构造出等效的传输信道，表示为：
Figure BDA0002804344450000036
其中，ΣijΔijΨij表示为节点i向节点j发数据时信道的估计误差，Σij表示节点i向节点j发数据时接收端节点j信道估计误差的自相关、Ψij表示节点i向节点j发数据时发送方节点i信道估计误差的自相关，
Figure BDA0002804344450000041
表示信道估计误差的大小，
Figure BDA0002804344450000042
表示估计信道
Figure BDA0002804344450000043
的估计误差的方差，I表示单位阵；
Figure BDA0002804344450000044
表示节点i向节点j发数据时等效信道估计部分；
Figure BDA0002804344450000045
表示等效信道的误差部分，
Figure BDA0002804344450000046
表示节点i向节点j发数据时发送方i等效信道估计误差的自相关；
Figure BDA0002804344450000047
表示节点i向节点j发数据时接收方j等效信道估计误差的自相关。
对等效的传输信道
Figure BDA0002804344450000048
进行奇异值分解，将奇异值分解后的右酉矩阵初始化所述数字发射机，表示为：
Figure BDA0002804344450000049
其中，Fi,bb表示节点i的数字发射机；
Figure BDA00028043444500000410
表示等效的传输信道
Figure BDA00028043444500000411
的奇异值分解的右酉矩阵
Figure BDA00028043444500000412
的前Ns列；Ns表示数据流的数目。
S3、通过更新所述数字发射机，计算得到数字接收机；
在更新所述数字发射机之前，对所述数字接收机进行分析，首先由节点j接收机未解码的信号可以表示为：
Figure BDA00028043444500000413
其中，Fi,bb表示节点i的数字发射机，si表示节点i的发送的信号，nij表示信道Hij中的均值为0，方差为
Figure BDA00028043444500000414
的高斯白噪声，该接收信号对应的MMSE可以解得：
Figure BDA00028043444500000415
其中，
Figure BDA00028043444500000416
表示估计信道
Figure BDA00028043444500000417
的估计误差的方差，
Figure BDA00028043444500000418
表示信道Hij中的噪声的方差，I表示单位阵。
已知最小均方误差(MMSE)收发机后，信号的MMSE矩阵可以写为：
Figure BDA00028043444500000419
根据互信息下界与信号均方误差(MSE)矩阵的关系，可以得到以下优化问题：
Figure BDA0002804344450000051
Figure BDA0002804344450000052
其中，P表示数字发射机的能量约束。当
Figure BDA0002804344450000053
时，上述优化问题与优化互信息等价。
基于上述分析，图2给出了数字发射机和数字接收机的更新方法流程图，如图2所示，所述更新所述数字发射机，计算得到数字接收机的流程包括：
步骤a)通过
Figure BDA0002804344450000054
计算出数字接收机Wj,bb；
步骤b)通过
Figure BDA0002804344450000055
计算出接收信号的MMSE矩阵，并更新其对应的逆矩阵Aij；
步骤c)通过
Figure BDA0002804344450000056
更新数字发射机Fi,bb；
步骤d)如果
Figure BDA0002804344450000057
则λmax＝λm，否则λmin＝λm；
步骤e)重复上述步骤c)、d)，直到λmax-λmin<ε1
步骤f)重复上述步骤a)、b)、c)、d)、e)，直到tr(AijMij)的变化量小于ε2，输出更新后的数字接收机Wj,bb和数字发射机Fi,bb。
其中，
Figure BDA0002804344450000058
λmin表示第一阈值；λmax表示第二阈值；ε1表示第一迭代阈值；ε2表示第二迭代阈值；
Figure BDA0002804344450000059
表示估计信道
Figure BDA00028043444500000510
的估计误差的方差，
Figure BDA00028043444500000511
表示信道Hij中的噪声的方差，I表示单位阵；tr(AijMij)表示矩阵Aij和矩阵Mij的迹。
S4、基于更新后的数字发射机、模拟发射机以及模拟接收机构造出自干扰等效信道；
在以上收发机设计基础上，我们进行自干扰消除(SIC)的设计。接收机收到的自干扰等效信道可以表示为：
Figure BDA0002804344450000061
其中，Hj,si表示节点j的自干扰信道，自干扰信道由直射路径与反射路径构成：
Figure BDA0002804344450000062
其中，Hj,los表示直射路径信道，Hj,nlos表示反射路径信道。
S5、对所述自干扰等效信道进行奇异值分解，得到SIC接收机；
对上述等效自干扰信道Hj,eq做奇异值分解：
Figure BDA0002804344450000063
其中，Uj,eq1表示Λj中1奇异值所对应的特征向量；Uj,eq0表示Λj中0奇异值所对应的特征向量，且Uj,eq0维度满足NRF×(NRF-Ns)；有：
Figure BDA0002804344450000064
选择Uj,eq0中的列向量构成SIC接收机Wj,sic。
S6、计算所述模拟接收机、数字接收机以及SIC接收机的乘积以及所述模拟发射机、数字发射机以及SIC发射机的乘积，设计得到混合收发机。
所述混合收发机包括混合发射机和混合接收机，一方面，所述混合发射机表示为Fi＝Fi,rfFi,bb。
另一方面，选择Uj,eq0中的列向量构成SIC矩阵Wj,sic，与原有的接收机组成新的接收机
Wj＝Wj,rfWj,sicWj,bb
其中，Wj,rf表示节点j的模拟接收机，Wj,sic表示为节点j的SIC收发机，Wj,bb表示为节点j的数字收发机。
在一个优选实施例中，通过交换i、j并重复上述鲁棒混合收发机求解步骤便能够得到节点j发送数据，节点i接收数据的模拟接收机Wi,rf、模拟发射机Fj,rf、数字接收机Wi,bb和数字发射机Fj,bb，通过本实施例的交换方式，可以求出每个节点作为发射机和作为接收机时的相关参数。
图3是不同天线配置下，本发明的鲁棒混合收发机、鲁棒混合半双工收发机、没有做SIC的鲁棒混合收发机与完美消除SI的全数字收发机在不同SNR下的容量对比。实线表示节点a的收发天线数为64，节点b的收发天线数为32，节点a、b的收发天线数均为6，数据流数目均为3，散射路径数目为5，信道估计误差为1，INR＝20dB。虚线表示节点a的收发天线数为32，节点b的收发天线数为16，节点a、b的收发天线数均为4，数据流数目均为2，散射路径数目、信道估计误差、INR与实线相同。
图4是不同干噪比(INR)下，本发明的鲁棒混合收发机、鲁棒混合半双工收发机与完美消除SI的全数字收发机在不同SNR下的容量对比图。实线表示INR＝10dB，双划线表示INR＝20,虚线表示INR＝30dB。其中的天线配置为：节点a收发天线数均为32，节点b的收发天线数均为16；节点a、b收发机的RF链数目均为4，数据流数目均为2；散射路径数为5，信道估计误差为1。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”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，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，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在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种点对点毫米波全双工系统的鲁棒混合收发机设计方法，其特征在于，所述混合收发机的设计方法包括：
通过对估计的信道进行奇异值分解，得到模拟收发机；
对所述模拟收发机构造出等效的传输信道，通过所述等效的传输信道初始化数字发射机，即对等效的传输信道估计部分进行奇异值分解，将奇异值分解后的右酉矩阵初始化所述数字发射机，表示为：
Figure FDA0003361121780000011
其中，Fi,bb表示节点i的数字发射机；
Figure FDA0003361121780000012
表示等效的传输信道估计部分；
Figure FDA0003361121780000013
的奇异值分解的右酉矩阵
Figure FDA0003361121780000014
的前Ns列，Ns表示数据流的数目；通过步骤a)_～f)更新所述数字发射机，计算得到数字接收机；
步骤a)通过
Figure FDA0003361121780000015
计算出数字接收机Wj,bb；
步骤b)通过
Figure FDA0003361121780000016
计算出接收信号的MMSE矩阵；
步骤c)通过
Figure FDA0003361121780000017
更新数字发射机Fi,bb；
步骤d)如果
Figure FDA0003361121780000018
则λmax＝λm，否则λmin＝λm；
步骤e)重复上述步骤c)、d)，直到λmax-λmin<ε1
步骤f)重复上述步骤a)、b)、c)、d)、e)，直到tr(AijMij)的变化量小于ε2，输出更新后的数字接收机Wj,bb和数字发射机Fi,bb；
其中，
Figure FDA0003361121780000019
Figure FDA00033611217800000110
表示节点i向节点j发数据时等效信道估计部分；
Figure FDA00033611217800000111
表示节点i向节点j发数据时发送方i等效信道估计误差的自相关；
Figure FDA00033611217800000112
表示节点i向节点j发数据时接收方j等效信道估计误差的自相关；
Figure FDA00033611217800000113
λmin表示第一阈值；λmax表示第二阈值；ε1表示第一迭代阈值；ε2表示第二迭代阈值；
Figure FDA00033611217800000114
表示估计信道
Figure FDA0003361121780000021
的估计误差的方差，
Figure FDA0003361121780000022
表示信道Hij中的噪声的方差，I表示单位阵；P表示数字发射机的能量约束，右上角标H表示H共轭转置；
基于更新后的数字发射机、模拟发射机以及模拟接收机构造出自干扰等效信道，表示为：
Figure FDA0003361121780000023
其中，Hj,eq表示节点j的自干扰等效信道；
Figure FDA0003361121780000024
表示节点j的模拟收发机的H转置矩阵；Hj,si表示节点j的自干扰信道；Fj,rf表示节点j的模拟发射机；Fj,bb表示节点j的数字发射机；
对所述自干扰等效信道进行奇异值分解，得到SIC接收机；
计算所述模拟接收机、数字接收机以及SIC接收机的乘积以及所述模拟发射机与数字发射机的乘积，设计得到混合收发机。
2.根据权利要求1所述的一种点对点毫米波全双工系统的鲁棒混合收发机设计方法，其特征在于，所述通过对估计的信道进行奇异值分解，得到模拟收发机包括：
Figure FDA0003361121780000025
Figure FDA0003361121780000026
其中，Fi,rf表示节点i的模拟发射机，Wj,rf表示节点j的模拟接收机，(i)m×k位于矩阵第m行第k列的元素，phase[i]表示取相位；
Figure FDA0003361121780000027
表示估计信道
Figure FDA0003361121780000028
的奇异值分解的右酉矩阵
Figure FDA0003361121780000029
的前NRF列，
Figure FDA00033611217800000210
表示估计信道
Figure FDA00033611217800000211
的奇异值分解的左酉矩阵
Figure FDA00033611217800000212
的前NRF列；NRF表示RF链的数目。
3.根据权利要求1所述的一种点对点毫米波全双工系统的鲁棒混合收发机设计方法，其特征在于，所述对所述模拟收发机构造出等效的传输信道包括：
Figure FDA00033611217800000213
其中，
Figure FDA00033611217800000214
表示由节点i向节点j发数据时等效的传输信道；
Figure FDA00033611217800000215
表示为节点i向节点j发数据时等效信道估计部分；
Figure FDA00033611217800000216
表示节点i向节点j发数据时接收方j等效信道估计误差的自相关；
Figure FDA00033611217800000217
表示节点i向节点j发数据时发送方i等效信道估计误差的自相关；
Figure FDA0003361121780000031
表示信道估计误差的大小，
Figure FDA0003361121780000032
表示估计信道
Figure FDA0003361121780000033
的估计误差的方差，I表示单位阵。
4.根据权利要求1所述的一种点对点毫米波全双工系统的鲁棒混合收发机设计方法，其特征在于，对所述自干扰等效信道进行奇异值分解，得到SIC接收机包括对自干扰等效信道进行奇异值分解，分解得到
Figure FDA0003361121780000034
选择Uj,eq0中的列向量构成SIC接收机Wj,sic，使所述SIC接收机Wj,sic满足维度NRF×NRF；其中，Uj,eq1表示Λj中1奇异值所对应的特征向量；Uj,eq0表示Λj中0奇异值所对应的特征向量，且Uj,eq0维度满足NRF×(NRF-Ns)，且NRF≥2Ns；有
Figure FDA0003361121780000035
Λj表示包含自干扰信道Hj,eq的奇异值；
Figure FDA0003361121780000036
表示自干扰信道Hj,eq的奇异值分解的右酉矩阵；NRF表示RF链的数目；Ns表示数据流的数目。
5.根据权利要求1所述的一种点对点毫米波全双工系统的鲁棒混合收发机设计方法，其特征在于，所述混合收发机包括混合发射机和混合接收机，所述混合发射机表示为Fi＝Fi,rfFi,bb；所述混合接收机表示为Wj＝Wj,rfWj,sicWj,bb，其中，Fi,rf表示节点i的模拟接收机，Fi,sic表示节点i的SIC接收机，Fi,bb表示节点i的数字收发机；Wj,rf表示节点j的模拟接收机，Wj,sic表示为节点j的SIC收发机，Wj,bb表示为节点j的数字收发机。
6.根据权利要求1～5任一所述的一种点对点毫米波全双工系统的鲁棒混合收发机设计方法，其特征在于，通过交换节点i、节点j重复所述数字接收机的更新过程，求解出节点j发送数据，节点i接收数据时的模拟接收机Wi,rf、模拟预编码器Fj,rf、数字接收机Wi,bb和数字预编码器Fj,bb。
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