[发明专利]基于波束选择的低频辅助混合预编码设计方法

权利要求书

1.基于波束选择的低频辅助混合预编码设计方法，该方法用于毫米波大规模MIMO下行多用户混合预编码系统，系统中基站具有M个天线和N个射频链，服务于K个单天线用户，在混合预编码的结构中，数据流首先在基带用数字预编码器进行处理，其中表示复数域，然后基站通过射频链将信号上变频到射频域，之后，通过模拟预编码器将信号映射到天线上；定义射频链数量等于用户数量，即N＝K，毫米波系统采用固定的波束切换系统，在数据传输时，假设使用DFT码本作为波束码本，基于低频段和毫米波的空间相似性，构建毫米波与低频段的异构通信网络，利用低频空间信息得到最优低频波束集，对包含在低频波束宽度内的毫米波波束进行训练，从而得到毫米波系统的最优波束集；其特征在于，所述方法包括：

S1、建立模型：

使用扩展Saleh-Valenzuela模型建模毫米波信道H，该信道模型中有C个散射簇，每个散射簇会产生R_C条路径，用户u处的接收信号y_u为：

其中，是用户u的毫米波信道矩阵，n_u是服从均值为0，方差为1的复高斯分布的噪声向量，假设ρ是基站端发射信号的能量，且数据流s满足为求均值符号，I为单位矩阵；

定义基站端采用的模拟预编码的码本为：

其中是码本中模拟预编码向量的基数，使用均匀天线阵列，码本元素表示为：

其中为阵列响应矢量，假设模拟预编码码本的量化角度按照反正弦函数分布，则毫米波波束选择的问题相当于从码本中选择模拟预编码向量组成F_RF；

定义系统的和速率为：

其中向量包含了基站端选择的波束，且γ^u是用户u的信号干扰加噪声比SINR，定义如下：

其中是W_D的第u列，w为K个用户中的第w个用户；

毫米波波束选择的问题相当于从码本中选择模拟预编码向量组成F_RF，以最大化和速率为目标，将基于波束选择的毫米波通信系统的混合预编码设计问题建模为：

其中，v_u是F_RF的第u列，也就是第u个RF链对应的模拟预编码向量；ξ_u是用户u的功率归一化因子；

S2、低频系统在基站端配有M根天线，每个用户端配有单天线，且低频系统部署数字预编码结构，可以进行全数字预编码，令低频系统的预编码码本基数设置与毫米波系统的码本基数相同，即并且用相同的量化角度生成低频系统的预编码码本：

采用基于和速率下界的波束选择方法求解步骤S1建立的模型，得到毫米波的波束选择方法，具体为：

借助Jensen不等式得到S1中将基于波束选择的毫米波通信系统的混合预编码设计问题模型的下界：

在异构通信网络中获知低频系统的信道信息后，借助低频信道信息得到基于波束选择的低频系统粗略估计，如下

但是，由于约束是非凸的，因此通过凸优化求解后，将所有的个选择向量降序排列，选择值最大的K个元素对应的模拟预编码向量，作为低频系统的最优波束选择方案，也就是得到集合n＝{n₁…n_K}，相对于毫米波波束，低频波束更宽，一个低频波束中会包含一组毫米波波束，在得到了低频波束集n之后，对包含在其宽度内的毫米波波束进行训练，从而得到毫米波系统的中的最优波束。