CN113691291B - 基于匈牙利算法的mimo发射机混合预编码器设计方法及装置 - Google Patents

基于匈牙利算法的mimo发射机混合预编码器设计方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计方法及装置，包括：根据已知的信道矩阵信息，以最小化混合预编码器和全数字预编码器的距离来实现频谱效率的优化，利用交替优化的策略实现混合预编码器的设计。具体为：首先利用注水算法计算出频谱效率最高的全数字预编码器，再对模拟预编码器和数字预编码器进行初始化，而后开始迭代更新：先基于匈牙利算法更新模拟预编码器的设计；再根据最小二乘法更新数字预编码器的设计；而后，我们检验是否达到终止更新的条件，若达到条件则利用有限功率约束进行归一化，完成设计，否则进行下一轮更新。该方法能够实现动态子连接结构的混合预编码器设计，且能够达到较高的频谱效率与能量效率。

Description

基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计方法及装置
技术领域
本申请涉及通信技术领域，特别涉及一种基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计方法及装置。
背景技术
混合预编码(hybridprecoding)将大规模MIMO系统的预编码划分为模拟预编码和数字预编码两个部分，可以实现以较少的射频链路驱动较多数量的天线，从而能够在高频谱效率与低能量消耗之间达到折中，是5G无线通信领域，尤其是毫米波通信中的关键技术之一。典型的混合预编码结构多为固定结构，例如图1中的(a)和(b)所示的全连接与固定子连接结构，已经得到了充分的发展，基本达到了理论性能的上限。
动态子连接则是一种新的混合预编码结构，通过开关切换射频链路与天线之间的连接关系，能够提高预编码结构的灵活性。动态子连接结构既吸纳了传统子连接结构能量效率高的优点，又能够根据实时的信道状态信息动态调整连接关系，因此能够具有更高的频谱效率与能量效率，近年来正逐渐成为混合预编码发射机进一步优化的备选方案。
现有针对动态子连接的研究较少，且给出的设计方案能效提升不够，与全数字预编码器的差距比较明显，需要得到进一步的优化。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的一个目的在于提出一种基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计方法，该方法能够实现动态子连接模式下的混合预编码器设计，并具有较高的频谱效率与能量效率。
本申请的另一个目的在于提出一种基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计装置。
为达到上述目的，本申请一方面实施例提出了一种基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计方法，包括：
S1，根据信道矩阵及注水算法计算全数字预编码器；
S2，对模拟预编码器和数字预编码器进行初始化；
S3，根据匈牙利算法更新所述模拟预编码器；
S4，根据最小二乘法更新所述数字预编码器；
S5，判断是否达到终止更新条件，若达到，执行S6，若未达到，则执行S3继续更新；
S6，根据有限功率约束对数字预编码器进行归一化。
本申请实施例的基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计方法，以最小化混合预编码器和全数字预编码器的距离为目标来实现频谱效率的优化，利用交替优化的策略实现混合预编码器的设计。由此，能够实现动态子连接模式下的混合预编码器设计，并具有较高的频谱效率与能量效率。
另外，根据本申请上述实施例的基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计方法还可以具有以下附加的技术特征：
在本申请的一个实施例中，所述混合预编码器被射频链路分为连接射频链路与发射天线的所述模拟预编码器和连接数据流与射频链路的所述数字预编码器两部分，所述模拟预编码器为可调整天线与射频链路间连接关系的动态子连接结构，由开关组成的动态连接网络与天线处的恒模移相器构成。
在本申请的一个实施例中，每根射频链路连接的天线数为固定值。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述移相器为无限精度连续取值的移相器或低精度离散取值的移相器。
在本申请的一个实施例中，所述S2进一步包括：
将所述模拟预编码器FRF初始化为固定子连接矩阵，移相器均设置为0相位；
将所述数字预编码器初始化为
Figure BDA0003163334640000021
其中，
Figure BDA0003163334640000022
为所述数字预编码矩阵，
Figure BDA0003163334640000023
为所述信道矩阵，
Figure BDA0003163334640000024
为模拟预编码器矩阵，NR为接收机的天线数，NT为发射机的天线数，NRF为发射机与接收机的射频链路数，Ns为待发送的数据流数，M为发射机每根射频链路连接的天线数，Fopt为所述全数字预编码器。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述S3进一步包括：
S301，写出距离矩阵D，其中
Figure BDA0003163334640000025
以及对应的相位矩阵
Figure BDA0003163334640000026
S302，令D*＝[D,D,…,D]共M个D拼成一个方阵，利用图论中的匈牙利算法求最小匹配；
S303，根据矩阵D*与D中元素的对应关系以及所述最小匹配，得到每根天线i对应的射频链路k，以在对应位置更新为FRF(i,k)＝ejΘ(i,k)，所述模拟预编码器的其余位置均更新为0。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述终止更新条件包括：
本轮更新
Figure BDA0003163334640000031
的减小量小于预设阈值∈；或
本轮更新后达到预设的最大迭代次数Niter。
在本申请的一个实施例中，所述混合预编码器以优化加性高斯白噪声条件下香农公式所给出的频谱效率为优化目标，以最小化混合预编码器和全数字预编码器的距离实现所述优化目标，以有限发射功率和动态子连接结构为约束条件。
为达到上述目的，本申请另一方面实施例提出了一种基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计装置，包括：
计算模块，用于根据信道矩阵及注水算法计算全数字预编码器；
初始化模块，用于对模拟预编码器和数字预编码器进行初始化；
第一更新模块，用于根据匈牙利算法更新所述模拟预编码器；
第二更新模块，用于根据最小二乘法更新所述数字预编码器；
迭代模块，用于判断是否达到终止更新条件，若达到，执行处理模块，若未达到，则执行所述第一更新模块继续更新；
处理模块，用于根据有限功率约束对数字预编码器进行归一化。
本申请实施例的基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计装置，以最小化混合预编码器和全数字预编码器的距离为目标来实现频谱效率的优化，利用交替优化的策略实现混合预编码器的设计。由此，能够实现动态子连接模式下的混合预编码器设计，并具有较高的频谱效率与能量效率。
另外，根据本申请上述实施例的基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计装置还可以具有以下附加的技术特征：
在本申请的一个实施例中，所述混合预编码器被射频链路分为连接射频链路与发射天线的所述模拟预编码器和连接数据流与射频链路的所述数字预编码器两部分，所述模拟预编码器为可调整天线与射频链路间连接关系的动态子连接结构，由开关组成的动态连接网络与天线处的恒模移相器构成。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请一个实施例的三种混合预编码结构示意图；
图2为根据本申请一个实施例的基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计方法流程图；
图3为根据本申请一个实施例的频谱效率性能仿真示意图；
图4为根据本申请一个实施例的能量效率性能仿真示意图；
图5为根据本申请一个实施例的基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计装置结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参照附图描述根据本申请实施例提出的基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计方法及装置。
首先将参照附图描述根据本申请实施例提出的基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计方法。
首先将参照附图描述根据本申请实施例提出的大规模MIMO发射机混合预编码器的符号规定，设待发送的数据流数为Ns，发射机与接收机的射频链路数均为NRF，接收机的天线数为NR，发射机的天线数为NT。发射机的天线数为射频链路数的M倍，即NT＝MNRF，且发射机每根射频链路连接的天线数固定为M；
Figure BDA0003163334640000041
为已知的信道矩阵，
Figure BDA0003163334640000042
为模拟预编码器矩阵，
Figure BDA0003163334640000043
为数字预编码器矩阵，总的发射功率设置为
Figure BDA0003163334640000044
如图1所示，本申请采取的结构为图1中的(c)给出的动态子连接结构，混合预编码器被射频链路分为连接射频链路与发射天线的模拟预编码器和连接数据流与射频链路的数字预编码器两部分，模拟预编码器为可调整天线与射频链路间连接关系的动态子连接结构，由开关组成的动态连接网络与天线处的恒模移相器构成。
在本申请的一个实施例中，给出的设计结果使得每根射频链路连接的天线数固定。
可选地，在本申请的一个实施例中，天线前配置的移相器可以是无限精度连续取值的理想移相器，也可以是低精度离散取值的移相器
图2为根据本申请一个实施例的基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计流程图。
如图2所示，该基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计方法包括以下步骤：
步骤S1，根据信道矩阵及注水算法计算全数字预编码器Fopt。
步骤S2，对模拟预编码器和数字预编码器进行初始化。
具体地，初始化FRF为图1中的(b)所示固定子连接矩阵，移相器均设置为0相位，初始化
Figure BDA0003163334640000051
步骤S3，根据匈牙利算法更新模拟预编码器。
具体包括如下步骤：
S301，写出距离矩阵D，其中
Figure BDA0003163334640000052
以及对应的相位矩阵
Figure BDA0003163334640000053
需要说明的是，在求最小值过程中，若采取有限精度的假设，则直接遍历可行的相位选取即可；若采取无限精度的假设，则最小值取在
Figure BDA0003163334640000054
处。
S302，令D*＝[D,D,…,D]共M个D拼成一个方阵，视为一个完全二部图，利用图论中的匈牙利算法求最小匹配。由于匈牙利算法是非常经典的图论算法，这里不再赘述匈牙利算法的具体细节。
S303，根据矩阵D*与D中元素的对应关系以及S302中求得的最小匹配，得到每根天线i对应的射频链路k，从而在对应位置更新为FRF(i,k)＝ejΘ(i,k)，而模拟预编码器的其余位置均更新为0。
步骤S4，根据最小二乘法更新数字预编码器。
具体地，更新数字预编码器
Figure BDA0003163334640000055
步骤S5，判断是否达到终止更新条件，若达到，执行S6，若未达到，则执行S3继续更新。终止更新条件包括：
本轮更新
Figure BDA0003163334640000056
的减小量小于预设阈值∈；或
本轮更新后达到预设的最大迭代次数Niter。
步骤S6，根据有限功率约束对数字预编码器进行归一化，即
Figure BDA0003163334640000057
综上，通过步骤S1至步骤S6，我们将能够得到一个完整的混合预编码器设计方案，即FRF与FBB。
图3和图4给出的仿真验证结果可以证明这一算法确实具有良好的频谱效率与能量效率性能，其中，图3仿真参数设置为8个数据流，接收机与发射机均有8条射频链路，发射机有64根天线，接收机有16根天线，信道模型为有3条径的Saleh-Valenzuela模型；图4仿真参数设置为8个数据流，发射机有48根天线，接收机有16根天线，信噪比SNR＝10dB，信道模型为有3条径的Saleh-Valenzuela模型，全数字预编码的能效作为下界参考，始终采用发射机天线数等于射频链路数的假设，因而是一条水平线。对于算法中涉及到的参数，本申请设置为最大迭代次数Niter＝6，距离平方减小阈值∈＝10-4。
根据本申请实施例提出的基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计方法，以优化加性高斯白噪声条件下香农公式所给出的频谱效率为优化目标，以最小化混合预编码器和全数字预编码器的距离来实现这一目标，以有限发射功率和动态子连接结构为约束条件。由此，能够实现动态子连接模式下的混合预编码器设计，并具有较高的频谱效率与能量效率。
其次参照附图描述根据本申请实施例提出的基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计装置。
图5为根据本申请一个实施例的基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计装置结构示意图。
如图5所示，该基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计装置包括：计算模块501、初始化模块502、第一更新模块503、第二更新模块504、迭代模块505和处理模块506。
其中，计算模块501，用于根据信道矩阵及注水算法计算全数字预编码器。初始化模块502，用于对模拟预编码器和数字预编码器进行初始化。第一更新模块503，用于根据匈牙利算法更新模拟预编码器。第二更新模块504，用于根据最小二乘法更新数字预编码器。迭代模块505，用于判断是否达到终止更新条件，若达到，执行处理模块，若未达到，则执行第一更新模块继续更新。处理模块506，用于根据有限功率约束对数字预编码器进行归一化。
在本申请的一个实施例中，混合预编码器被射频链路分为连接射频链路与发射天线的模拟预编码器和连接数据流与射频链路的数字预编码器两部分，模拟预编码器为可调整天线与射频链路间连接关系的动态子连接结构，由开关组成的动态连接网络与天线处的恒模移相器构成。
需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。
根据本申请实施例提出的基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计装置，以优化加性高斯白噪声条件下香农公式所给出的频谱效率为优化目标，以最小化混合预编码器和全数字预编码器的距离来实现这一目标，以有限发射功率和动态子连接结构为约束条件。由此，能够实现动态子连接模式下的混合预编码器设计，并具有较高的频谱效率与能量效率。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据信道矩阵及注水算法计算全数字预编码器；
S2，对模拟预编码器和数字预编码器进行初始化；
S3，根据匈牙利算法更新所述模拟预编码器；
S4，根据最小二乘法更新所述数字预编码器；
S5，判断是否达到终止更新条件，若达到，执行S6，若未达到，则执行S3继续更新；
S6，根据有限功率约束对数字预编码器进行归一化；
其中，所述S2进一步包括：将所述模拟预编码器FRF初始化为固定子连接矩阵，移相器均设置为0相位；将所述数字预编码器初始化为
Figure FDA0003562309280000011
其中，
Figure FDA0003562309280000012
为所述数字预编码矩阵，
Figure FDA0003562309280000013
为所述信道矩阵，
Figure FDA0003562309280000014
为模拟预编码器矩阵，NR为接收机的天线数，NT为发射机的天线数，NRF为发射机与接收机的射频链路数，Ns为待发送的数据流数，M为发射机每根射频链路连接的天线数，Fopt为所述全数字预编码器；
其中，所述混合预编码器被射频链路分为连接射频链路与发射天线的所述模拟预编码器和连接数据流与射频链路的所述数字预编码器两部分，所述模拟预编码器为可调整天线与射频链路间连接关系的动态子连接结构，由开关组成的动态连接网络与天线处的恒模移相器构成；
其中，所述混合预编码器以优化加性高斯白噪声条件下香农公式所给出的频谱效率为优化目标，以最小化混合预编码器和全数字预编码器的距离实现所述优化目标，以有限发射功率和动态子连接结构为约束条件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每根射频链路连接的天线数为固定值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述移相器为无限精度连续取值的移相器或低精度离散取值的移相器。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3进一步包括：
S301，写出距离矩阵D，其中
Figure FDA0003562309280000015
以及对应的相位矩阵
Figure FDA0003562309280000016
S302，令D*＝[D，D，...，D]共M个D拼成一个方阵，利用图论中的匈牙利算法求最小匹配；
S303，根据矩阵D*与D中元素的对应关系以及所述最小匹配，得到每根天线i对应的射频链路k，以在对应位置更新为FRF(i，k)＝ejΘ(i，k)，所述模拟预编码器的其余位置均更新为0。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述终止更新条件包括：
本轮更新
Figure FDA0003562309280000021
的减小量小于预设阈值∈；或
本轮更新后达到预设的最大迭代次数Niter。
6.一种基于匈牙利算法的MIMO发射机混合预编码器设计装置，其特征在于，包括：
计算模块，用于根据信道矩阵及注水算法计算全数字预编码器；
初始化模块，用于对模拟预编码器和数字预编码器进行初始化；
第一更新模块，用于根据匈牙利算法更新所述模拟预编码器；
第二更新模块，用于根据最小二乘法更新所述数字预编码器；
迭代模块，用于判断是否达到终止更新条件，若达到，执行处理模块，若未达到，则执行所述第一更新模块继续更新；
处理模块，用于根据有限功率约束对数字预编码器进行归一化；
其中，所述初始化模块具体用于，将所述模拟预编码器FRF初始化为固定子连接矩阵，移相器均设置为0相位；将所述数字预编码器初始化为
Figure FDA0003562309280000022
Figure FDA0003562309280000023
其中，
Figure FDA0003562309280000024
为所述数字预编码矩阵，
Figure FDA0003562309280000025
为所述信道矩阵，
Figure FDA0003562309280000026
为模拟预编码器矩阵，NR为接收机的天线数，NT为发射机的天线数，NRF为发射机与接收机的射频链路数，Ns为待发送的数据流数，M为发射机每根射频链路连接的天线数，Fopt为所述全数字预编码器；
其中，所述混合预编码器被射频链路分为连接射频链路与发射天线的所述模拟预编码器和连接数据流与射频链路的所述数字预编码器两部分，所述模拟预编码器为可调整天线与射频链路间连接关系的动态子连接结构，由开关组成的动态连接网络与天线处的恒模移相器构成；
其中，所述混合预编码器以优化加性高斯白噪声条件下香农公式所给出的频谱效率为优化目标，以最小化混合预编码器和全数字预编码器的距离实现所述优化目标，以有限发射功率和动态子连接结构为约束条件。
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