[发明专利]一种基于数据驱动的混合波束成形中的模拟波束选择方法

说明书

本发明通信技术领域，具体涉及一种基于数据驱动的混合波束成形中的模拟波束选择方法。本发明的方法将混合波束成形中的模拟波束选择问题当成一个多分类问题。利用大量的毫米波信道样本和支持向量机，该方法能够训练得到一个以最大和速率为目标的分类统计模型。对于实时通信传输中，利用所得到的分类统计模型，每一个移动用户能够以较低复杂度的方式确定最优的模拟波束。当训练样本足够多的时候，该方法的和速率性能能够近似于最优值，而该方法的实现复杂度比最优的穷举搜索算法的复杂度低若干个(与移动用户数目相关)数量级。

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于数据驱动的混合波束成形中的模拟波束选择方法。

背景技术

当前5G标准已经明确了对更高传输速率、更低时延的要求。而为了实现5G的要求，需要利用更宽的频谱资源。因此，产业界和学术界认为毫米波频段是能实现更高传输速率、更低时延的要求的理想频段。毫米波具有更短的波长，因此能在有限的空间中配备更多的天线。所以毫米波技术也是实现大规模多天线系统的理想技术。

另一方面，在传统的数字波束成形中每一根发射天线都会配备一条射频链路。然而，大规模多天线系统一般多达上百个天线，如果每一根天线都配备一条射频链路，会使得能耗和实施成本非常高。所以传统的全数字波束成形的实施方案在实际的大规模多天线系统中不再实用。模拟波束成形通过移相器调整天线接收和发射信号的相位，从而克服了射频链路的硬件限制，降低了天线系统的成本和能耗。然而，模拟波束成形只能满足单流传输，并且相移器受到幅度为常数的限制，其性能与无硬件约束的传统的数字波束成形相比略低，通常只能达到次优的性能。混合数模波束成形作为毫米波多天线系统的全新技术，利用远小于天线数的射频链路以降低系统的能耗和实施成本，另一方面实施大量的相移器增加收发天线的增益，从而实现大规模多天线系统的性能与硬件成本的折衷，且能够满足多流传输，当前，混合波束成形得到了产业界和学术界广泛的关注。

由于模拟波束成形会直接影响收发天线的增益，因此它对系统性能较为关键。当前混合波束成形主要是基于模拟波束码本集来实现模拟波束的选择。如何选择合适的模拟波束是混合波束成形面临的较大难题。当前，解决该问题的主要方法是通过穷举搜索算法来找到最优的模拟波束，然而该方法的复杂度非常高，不适合应用在实际系统中。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于数据驱动思想的大规模MIMO上行传输混合波束成形中的低复杂度模拟波束选择的方法。系统模型如图1所示：基站有N_B个天线来服务K个移动用户。设每个用户具有N_u个天线。混合波束成形结构包含了数字波束成形部分和模拟波束成形部分。在模拟波束成形部分，基站具有N_s个射频链路，而每个射频链路包含N_R个天线。因此，基站天线数目可以写为N_B＝N_s×N_R。这里假设用户数目不大于每个射频链路的天线数目，即K≤N_s。

在上行链路中，当用户k(k∈{1,2,…,K})传输上行信号给基站时，该上行信号可以写为

x_k＝c_ks_k, (1)

其中，s_k∈C^1×1为用户k的传输符号，是用户k的模拟波束。c_k中的第i项元素是该模拟波束在第i个天线上的相移值，它可以表示为其中为对于每一个用户来说，上行信号的最大功率为P，即

基站上的接收信号可以被表示为

其中是用户i上行信道矩阵，的元素为均值为0，方差为1的循环对称的独立复高斯噪声。

另一方面，基站上第l个射频链路的波束可以写为