[发明专利]一种在毫米波MIMO系统中基于分层设计的迭代混合预编码方法

权利要求书

1.一种毫米波MIMO系统中基于分层设计的迭代混合预编码方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤一.建立毫米波MIMO系统的混合预编码问题模型；

步骤二.引入分层设计的思想，对数模混合预编码进行设计；

步骤三.假设已知最优的模拟预编码矩阵，设计数字预编码矩阵以进一步提高系统的频谱效率；

步骤四.提出迭代求解的设计策略，并推导出模拟预编码矩阵的近似最优解闭式解；

步骤五.输出最优的数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵；

其中，所述的步骤一中的混合预编码问题模型为：

上述公式中，F_RF表示模拟预编码矩阵，F_BB表示数字预编码矩阵，I为单位矩阵，ρ为平均接收功率，是噪声的方差，H表示基站端和用户端之间的信道，因为模拟预编码是通过移相器实现的，因此必须满足恒模的约束，即|F_RF(i,j)|＝1，此外，表示发射端的功率约束，N_s为数据流数；

所述的步骤二中，引入分层设计的思想，设计毫米波混合预编码，具体来说，首先假设模拟预编码矩阵已知，设计数字预编码矩阵；其次，基于已获得的数字预编码矩阵，设计模拟预编码矩阵；

所述的步骤三中，为了进一步简化混合预编码矩阵的设计，并在功率约束下解耦数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵，引入虚拟变量假设则数字预编码的设计可表示为：

式中，被定义为一个等效信道矩阵，由于上式仅有一个变量，可以利用注水算法求得虚拟变量

其中，V_e表示等效信道矩阵的右奇异矩阵的前N_s列，P_e表示对角矩阵，其对角元素是为每条数据流所分配的功率，因此，数字预编码矩阵可表示为：

2.根据权利要求1所述的基于分层设计的迭代混合预编码方法，其特征在于，根据步骤四，提出迭代求解的设计策略，并推导出模拟预编码矩阵的最优解闭式解，根据已有文献中的结论，即当天线数趋于无穷大时，模拟预编码矩阵满足因此，在射频链的数量等于数据流数的情况下，最优的数字预编码矩阵满足其中，μ²＝1/N_t表示归一化因子，N_t为发送端的天线数，相应的模拟预编码矩阵设计可表示为：

上式中由于F_RF的列排列不会改变的结果，因此可以将重写为

式中，(F_RF)_-j为F_RF除去第j列f_j后的子矩阵，因此，模拟预编码矩阵的设计可进一步化简为：

式中，定义为辅助矩阵，如果选取合适的初始矩阵F_RF并且假设(F_RF)_-j是固定的，可以将模拟预编码矩阵优化问题分解为一系列子问题，且第j个子问题可表示为：

上式可进一步化简为：

定义一个中间矩阵上式的主函数可简化为：

式中，f_j(-i)表示除去f_j的第i个元素f_j(i)后的剩余子向量，M_j(i,i)表示矩阵M_j的第i行第i列对应的元素，M_j(-i,i)表示矩阵M_j的第i列向量中除去第i行元素后的子向量，M_j(-i,-i)表示除去矩阵M_j的第i行第i列个元素的子矩阵，表示取实部；根据上式，对于f_j(i)的设计可表示为：

因此，关于f_j(i)的最优闭式解可表示为：

式中，对于任意的复变量x，有

因此，基于f_j(i)的最优解，可以利用迭代的方法可求得最优的模拟预编码矩阵。

3.根据权利要求2所述的基于分层设计的迭代混合预编码方法，其特征在于，根据步骤五，在毫米波MIMO系统中，输出数字预编码矩阵F_BB和模拟预编码矩阵F_RF。