[发明专利]一种基于模拟移相—开关级联网络的混合预编码方法

说明书

本发明涉及一种基于模拟移相—开关级联网络的混合预编码方法，包括以下步骤：给出开关与移相器级联的模拟网络结构，并建立基于该结构的毫米波大规模MIMO系统混合预编码数学模型；通过信道矩阵奇异值分解求解全数字最优预编码矩阵，然后随机生成模拟移相预编码矩阵；利用块坐标下降方法联合优化模拟开关预编码矩阵与数字预编码矩阵；利用相位旋转优化模拟移相预编码矩阵；利用上述的模拟移相预编码矩阵、模拟开关预编码矩阵与数字预编码矩阵，完成混合预编码。与现有技术相比，本发明所提模拟移相—开关级联网络只需要与天线阵元数相等的移相器，具有较低硬件成本和功耗等优点；进一步的，仿真实验结果表明，本发明基于模拟移相—开关级联网络的混合预编码方法具有较高的频谱效率和能量效率。

技术领域

本发明涉及毫米波大规模MIMO系统模拟网络结构，涉及混合预编码方法，更为具体的说是涉及一种基于模拟移相—开关级联网络的混合预编码方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着现代信息社会的高速发展和智能移动终端的迅速普及，移动数据传输需求呈现指数增长。在当前无线电频谱资源日益短缺的情形下，如何实现无线数据的高速传输，满足5G网络在用户体验速率、吞吐量等方面的需求，是当前移动通信领域亟待解决的关键问题。相关研究表明：毫米波频段(30GHz-300GHz)拥有大量的空闲频谱资源，可以支持10Gbps以上的数据传输速率，以毫米波为载频进行数据传输是5G网络实现超高系统容量最为直接有效的途径。然而毫米波信号的自由路径损耗和大气吸收衰减等均远大于低频信号，具有传输距离较短，信噪比较低等缺点。为此，毫米波通信系统通常采用大规模MIMO天线阵列进行信号的发射与接收，通过大规模天线阵列的波束赋形增益克服信号传输衰减与损耗，从而增加信号的传播距离，提高数据传输速率。混合预编码是毫米波大规模MIMO系统的关键技术之一，对提升系统频谱效率、降低系统能量消耗等方面均有重要作用，受到了当前学术界和工业界的广泛关注。

混合预编码将信号预编码分为数字预编码和模拟预编码，其中模拟网络是实现混合预编码的重要硬件基础。通过设计并优化模拟网络结构、数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵不仅能够有效减少射频链数量、降低硬件成本和功耗，而且能够消除信号干扰、提高信号传输增益。目前，模拟网络主要分为共享型移相网络和分离型移相网络。共享型移相网络中每条射频链通过独立的移相器与天线阵元相连接，移相器数量为射频链数量与天线阵元数量的乘积。针对共享型移相网络，申请号为“201810921078.5”的专利文件公开了“一种基于矩阵分解的混合预编码/合并器设计方法”，该方法利用等增益传输特性优化模拟预编码矩阵，并通过QR分解和LDL^H分解优化数字预编码；申请号为“201811087139.9”的专利文件公开了“一种基于行向量优化的混合预编码方法”，该方法分别通过流形优化和最小二乘法优化模拟预编码与数字预编码矩阵。共享型移相网络中的混合预编码方法可以有效逼近全数字预编码方法的性能，但存在移相器数量庞大、结构复杂、功耗高等缺点。分离型移相网络中每条射频链仅与部分天线阵元相连接，移相器数量与天线阵元数量相等。针对分离型移相网络，申请号为“201910014059.9”的专利文件公开了“毫米波大规模MIMO中基于DSBO的混合预编码算法”，该算法利用DSBO智能搜索算法求解模拟预编码矩阵，并通过迫零算法给出数字预编码矩阵；申请号为“201910048405.5”的专利文件公开了“毫米波大规模MIMO中基于部分连接的混合预编码方法”，该方法将信道矩阵分成与射频链路数相等的块矩阵，并利用块矩阵的最大右奇异向量给出模拟预编码矩阵，然后通过等效信道矩阵的奇异值分解求解数字预编码矩阵。分离型移相网络具有结构简单、成本与功耗低等优点，但其频谱效率与全数字预编码相比差距较大，难以满足高速率数据传输需求。

综合上述分析可知：(1)共享型移相网络硬件结构复杂、成本与能耗高，但利用该结构进行混合预编码可以获得较高的频谱效率；(2)分离型移相网络可在一定程度上降低硬件开销，但利用该结构进行混合预编码会造成较大的频谱效率损失。为此，如何设计模拟网络结构并给出相应的混合预编码方法，利用较低硬件成本和功耗达到较高的频谱效率，是毫米波通信中亟待解决的关键技术问题。

发明内容