本發(fā)明屬于無(wú)線通信系統(tǒng)中波束賦形(包括預(yù)編碼和合并接收)方案的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種在大規(guī)模mimo中的低復(fù)雜度的混合波束賦形迭代設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

大規(guī)模mimo技術(shù)通過(guò)在基站端配備數(shù)目趨于無(wú)窮大的天線陣列，可使系統(tǒng)的頻譜效率和可靠性得到極大的提升。為了充分利用大規(guī)mimo的性能增益，有效的預(yù)編碼技術(shù)顯得尤為重要。傳統(tǒng)預(yù)編碼需要每根天線與一條特定的射頻鏈路(rf)相連，考慮到射頻成本高、能耗大，而大規(guī)模mimo系統(tǒng)中天線數(shù)目往往達(dá)到成百上千根，因此不可能為每根天線配備特定的射頻鏈路，這導(dǎo)致傳統(tǒng)的預(yù)編碼方案不再適用。那么研究可以利用少量rf驅(qū)動(dòng)大規(guī)模天線陣列以挖掘大規(guī)模mimo的增益的預(yù)編碼方案就變得非常的有意義。混合預(yù)編碼可以利用移相器將每條射頻與所有的天線或者一個(gè)天線子集相連接，有效地解決了射頻與天線數(shù)目不匹配的問(wèn)題，又可以在發(fā)送相同數(shù)據(jù)流數(shù)時(shí)獲得與全數(shù)字預(yù)編碼(需要與天線相同數(shù)量的射頻)相近的性能，因此成為大規(guī)模mimo系統(tǒng)重要的預(yù)編碼備選方案?；旌项A(yù)編碼，即在射頻端利用低成本的移相器控制發(fā)射天線上信號(hào)的相位，實(shí)現(xiàn)模擬預(yù)編碼，既降低了硬件成本，又減少系統(tǒng)所需的射頻數(shù)量；在基帶處利用等效低維度的信道狀態(tài)信息(csi)控制信號(hào)的幅度和相位，實(shí)現(xiàn)數(shù)字預(yù)編碼，進(jìn)一步提高信號(hào)處理的精度。預(yù)編碼需要基站已知準(zhǔn)確信道狀態(tài)信息或者部分信道狀態(tài)信息才能獲取較優(yōu)的性能，然而在大規(guī)模mimo系統(tǒng)中信道矩陣維度很大，受相干時(shí)間的限制，不能夠發(fā)送足夠的導(dǎo)頻準(zhǔn)確估計(jì)所有天線上的信道狀態(tài)信息。此外，實(shí)際的大規(guī)模mimo系統(tǒng)配備的射頻數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于天線數(shù)目，這使得基站想要獲取所有天線上的信道狀態(tài)信息變得更加困難。這是因?yàn)樵诨旌喜ㄊx形(混合預(yù)編碼/混合合并接收)架構(gòu)中，信道狀態(tài)信息與模擬預(yù)編碼和模擬合并接收矩陣糾纏在一起(本發(fā)明將之稱為等效信道)，使得準(zhǔn)確的原始信道狀態(tài)信息獲取更加困難。因此有必要研究不完善信道狀態(tài)信息下的混合預(yù)編碼方案的設(shè)計(jì)。目前，針對(duì)不完善信道狀態(tài)信息下的混合預(yù)編碼設(shè)計(jì)主要有兩類思想：第一類，利用信道統(tǒng)計(jì)信息設(shè)計(jì)模擬預(yù)編碼，利用等效低維度的信道狀態(tài)信息設(shè)計(jì)數(shù)字預(yù)編碼矩陣；第二類：基于波束碼本搜索設(shè)計(jì)模擬預(yù)編碼與接收合并矩陣，然后利用等效低維度的信道狀態(tài)信息設(shè)計(jì)數(shù)字預(yù)編碼矩陣。二者的不同主要體現(xiàn)在模擬預(yù)編碼和接收矩陣的設(shè)計(jì)。第一類方案需要準(zhǔn)確的用戶正交分組，保持不同用戶組的信道相關(guān)矩陣的特征矢量相互正交，這使得該類算法每次服務(wù)的用戶數(shù)有限。第二類通過(guò)波束搜索從碼本中選取模擬波束賦形矩陣，可以避免準(zhǔn)確信道估計(jì)，但只在單徑信道場(chǎng)景下可以取得很好的性能。

在當(dāng)前針對(duì)毫米波大規(guī)模mimo的混合波束賦形設(shè)計(jì)的研究大多是基于收發(fā)兩端可以準(zhǔn)確獲知信道狀態(tài)信息的，然而這在實(shí)際系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。一方面信道矩陣維度很大，受相干時(shí)間的限制，不能夠發(fā)送足夠的導(dǎo)頻準(zhǔn)確估計(jì)所有天線上的信道狀態(tài)信息。另一方面，信道估計(jì)是在基帶處理的，而在毫米波大規(guī)模mimo系統(tǒng)采用混合波束賦形(混合預(yù)編碼/混合合并接收)架構(gòu)，因此基帶處估計(jì)得到是信道狀態(tài)信息與模擬預(yù)編碼和模擬合并接收矩陣糾纏在一起的等效信道。獲取準(zhǔn)確的原始信道狀態(tài)信息變得更加困難。

綜上所述，研究低開(kāi)銷低復(fù)雜度的混合波束賦形方案是很有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種低復(fù)雜度的混合波束賦形迭代設(shè)計(jì)方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

一種低復(fù)雜度的混合波束賦形迭代設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

1)模擬波束賦形：

第一步，從相應(yīng)維度的dft網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)選取一組矢量，初始化模擬預(yù)編碼矩陣和模擬合并接收矩陣；

第二步，固定模擬預(yù)編碼矩陣和模擬合并接收矩陣，接收端估計(jì)等效信道，然后利用其恢復(fù)高維度的接收端等效信道；

第三步，固定模擬預(yù)編碼矩陣，接收端利用恢復(fù)的高維度接收端等效信道更新模擬合并接收矩陣，然后更新并反饋等效信道；

第四步，發(fā)射端利用等效信道恢復(fù)高維度的發(fā)射端等效信道；

第五步，固定模擬合并接收矩陣，利用恢復(fù)高維度的發(fā)射端等效信道更新模擬預(yù)編碼矩陣；

重復(fù)第二步至第五步，直至算法收斂；

2)數(shù)字波束賦形的設(shè)計(jì)：

第一步，根據(jù)確定的模擬波束賦形矩陣，計(jì)算等效信道；

第二步，利用奇異值分解方法計(jì)算數(shù)字預(yù)編碼矩陣和數(shù)字合并接收矩陣，并利用灌水法進(jìn)行功率分配。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，當(dāng)為毫米波大規(guī)模mimo下行傳輸系統(tǒng)時(shí)，基站用nt根發(fā)射天線，條射頻發(fā)送信號(hào)，用戶用nr根接收天線，條射頻接收信號(hào)，即收發(fā)兩端都采用混合波束賦形框架結(jié)構(gòu)；frf是基站射頻端模擬預(yù)編碼矩陣，fbb是基帶處的數(shù)字預(yù)編碼矩陣；wrf是模擬合并矩陣，wbb表示數(shù)字合并接收矩陣，假定毫米波信道是窄帶慢衰落信道；

步驟1)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

第一步，初始化：從dft矩陣隨機(jī)選取列作為初始的從dft矩陣隨機(jī)選取列作為初始的令迭代次數(shù)k＝0；

第二步，給定和接收端估計(jì)等效信道令然后計(jì)算

第三步，固定模擬預(yù)編碼矩陣更新模擬合并接收矩陣，即令然后利用更新并將其反饋給發(fā)送端；

第四步，發(fā)送端利用獲得的等效信道恢復(fù)發(fā)送端等效信道，即令然后計(jì)算

第五步，固定模擬合并接收矩陣更新模擬預(yù)編碼矩陣，即令

k←k+1；重復(fù)第二步到第五步，直至算法收斂。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟2)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

第一步，計(jì)算等效信道

第二步，等效信道heff進(jìn)行奇異值分解獲得數(shù)字預(yù)編碼矩陣，即則最優(yōu)的數(shù)字預(yù)編碼矩陣其中ns表示數(shù)據(jù)流數(shù)，對(duì)角陣λ表示灌水功率分配矩陣；最優(yōu)的數(shù)字接收合并矩陣

本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明在現(xiàn)有l(wèi)te系統(tǒng)(8×8mimo)相同的射頻和信令開(kāi)銷的情況下，僅通過(guò)增加天線數(shù)目，就獲得了明顯的性能提升。雖然與稀疏波束賦形方案相比有較大的性能差距，但是我們僅僅需要估計(jì)等效低維度的信道狀態(tài)信息，大大降低了系統(tǒng)的成本和信令開(kāi)銷，更加適用于實(shí)際系統(tǒng)。

進(jìn)一步，在步驟1)中，將模擬波束賦形矩陣與實(shí)際信道結(jié)合為等效低維信道，并以此設(shè)計(jì)發(fā)射端和接收端模擬波束賦形矩陣的迭代更新方式，從而達(dá)到改善等效信道質(zhì)量、提升系統(tǒng)性能的目標(biāo)。通過(guò)利用等效低維信道而不是高維度的實(shí)際信道信息設(shè)計(jì)模擬波束賦形矩陣，本發(fā)明顯著地降低系統(tǒng)的成本和信令開(kāi)銷。在步驟2)中，在得到等效信道后，我們利用經(jīng)典的奇異值分解的方法計(jì)算得到數(shù)字波束賦形矩陣，進(jìn)一步提升了信號(hào)處理的精確度，提升了系統(tǒng)的性能。

下面結(jié)合仿真結(jié)果，對(duì)本發(fā)明的效果作進(jìn)一步的說(shuō)明。

考慮基站天線數(shù)nt＝64，射頻數(shù)數(shù)據(jù)流數(shù)ns＝4，用戶天線數(shù)nr＝16，射頻數(shù)圖中各個(gè)仿真點(diǎn)均進(jìn)行了1000次獨(dú)立的仿真。

將本發(fā)明與傳統(tǒng)全數(shù)字波束賦形方案(64根射頻，完整的信道狀態(tài)信息下)以及考慮了毫米波信道的稀疏特性的基稀疏波束賦形方案(完整的信道狀態(tài)信息下)進(jìn)行比較。圖2驗(yàn)證了所提算法的收斂性；圖3給出了不同信噪比下各個(gè)方案的頻譜效率對(duì)比圖，雖然本發(fā)明方案與全數(shù)字波束賦形以及稀疏波束賦形方案性能有較大差距，但是本發(fā)明所提方案需要的射頻數(shù)量少，且只需要估計(jì)低維度(8×8)的信道狀態(tài)信息，而稀疏波束賦形方案需要估計(jì)高維度(64×16)的信道狀態(tài)信息。結(jié)合表1可以看出，所提方案需要信令開(kāi)銷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于稀疏波束賦形方案，更適合信道估計(jì)能力有限的系統(tǒng)，如pre-5g系統(tǒng)。而與同樣開(kāi)銷的傳統(tǒng)8×8mimo相比，所提方案有大幅度的性能提升。

附圖說(shuō)明

圖1為毫米波大規(guī)模mimo系統(tǒng)框圖；

圖2為所提方案的頻譜效率隨迭代次數(shù)的變化圖(snr＝6db)；

圖3為不同信噪比下各方案的頻譜效率對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

本發(fā)明提出的低復(fù)雜度混合波束賦形迭代設(shè)計(jì)方案，其主要思路是：將混合波束賦形設(shè)計(jì)過(guò)程分為模擬兩個(gè)階段。第一階段：在收發(fā)端迭代設(shè)計(jì)模擬預(yù)編碼和模擬合并接收矩陣；第一階段：在確定模擬預(yù)編碼和模擬合并接收矩陣后，在數(shù)字域根據(jù)等效信道設(shè)計(jì)數(shù)字預(yù)編碼和數(shù)字合并接收矩陣。

具體實(shí)施方案如下：

考慮一個(gè)下行毫米波大規(guī)模mimo系統(tǒng)，基站用nt根天線，條射頻發(fā)送信號(hào)，用戶用nr根天線，條射頻接收信號(hào)，即收發(fā)兩端都采用混合波束賦形框架結(jié)構(gòu)。frf是基站射頻端模擬預(yù)編碼矩陣，fbb是基帶處的數(shù)字預(yù)編碼矩陣。本發(fā)明假定毫米波信道是窄帶慢衰落信道。接收信號(hào)被模擬接收合并矩陣和數(shù)字合并矩陣處理后，可表示為

其中，wrf是模擬合并矩陣，它和模擬預(yù)編碼一樣，由移相器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，因此它的所有元素幅度相同，wbb表示數(shù)字合并接收矩陣。表示加性高斯白噪聲，服從均值為0，方差為的高斯分布。

由式(1)可得系統(tǒng)的頻譜效率可以表示為：

其中，表示接收端噪聲的協(xié)方差矩陣。

根據(jù)上述模型，本發(fā)明的目標(biāo)是尋找最優(yōu)的混合預(yù)編碼矩陣和混合接收矩陣，從而最大化系統(tǒng)的頻譜效率。該問(wèn)題可以描述為如下所示數(shù)學(xué)優(yōu)化問(wèn)題：

其中，是模擬預(yù)編碼的可行集，即一組所有元素幅度都相同的矩陣集，是模擬合并接收的可行集，即一組所有元素幅度都相同的矩陣集。

經(jīng)過(guò)模擬域與數(shù)字域解耦合后，系統(tǒng)可達(dá)的頻譜效率可表示為

式中，表示經(jīng)過(guò)模擬合并矩陣后噪聲的協(xié)方差矩陣，是為了將模擬預(yù)編碼和數(shù)字預(yù)編碼解功率耦合做的變量代換。

定義上式的目標(biāo)是尋求一對(duì)(wrf,frf)來(lái)最大化等效信道的容量，則上式可以進(jìn)一步表示為

由jensen不等式，本發(fā)明可以將優(yōu)化問(wèn)題(6)松弛為

基于上述理論推導(dǎo)，本發(fā)明提出的低復(fù)雜度混合波束賦形迭代設(shè)計(jì)方案如下：

1)模擬預(yù)編碼矩陣與模擬合并接收矩陣的迭代設(shè)計(jì)

第一步，初始化：從dft矩陣隨機(jī)選取列作為初始的從dft矩陣隨機(jī)選取列作為初始的令迭代次數(shù)k＝0；

第二步，給定和接收端估計(jì)等效信道令然后計(jì)算

第三步，固定模擬預(yù)編碼矩陣更新模擬合并接收矩陣，即令然后利用更新并將其反饋給發(fā)送端；

第四步，發(fā)送端利用獲得的等效信道恢復(fù)發(fā)送端等效信道，即令然后計(jì)算

第五步，固定模擬合并接收矩陣更新模擬預(yù)編碼矩陣，即令

k←k+1；重復(fù)第一步至第五步，直至算法收斂。

2)數(shù)字預(yù)編碼矩陣與數(shù)字合并接收矩陣的設(shè)計(jì)

第一步，計(jì)算等效信道

第二步，等效信道heff進(jìn)行奇異值分解獲得數(shù)字預(yù)編碼矩陣，即則最優(yōu)的數(shù)字預(yù)編碼矩陣其中ns表示數(shù)據(jù)流數(shù)，對(duì)角陣λ的對(duì)角元素表示分配給每個(gè)數(shù)據(jù)流的功率，可由灌水算法獲得，其第s個(gè)數(shù)據(jù)流上對(duì)應(yīng)的功率可表示為ρs，其滿足

其中μ滿足最優(yōu)的數(shù)字接收合并矩陣由等效信道heff最大奇異值對(duì)應(yīng)的左奇異矩陣前ns個(gè)列矢量構(gòu)成，即

表1不同方案需要的射頻鏈路數(shù)和信令開(kāi)銷對(duì)比。