[发明专利]基于波束选择的低频辅助混合预编码设计方法

说明书

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于波束选择的低频辅助混合预编码设计方法。本发明在数字域部分应用迫零算法以消除多用户干扰，模拟域通过基于码本的波束搜索选择使系统容量最大的波束集。通过构建毫米波与低频段的异构通信网络，利用低频信息进行波束选择的基础上，提出了5种低频辅助的波束选择方法。基于低频段和毫米波的空间相似性，首先利用低频空间信息得到最优低频波束集，而后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。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体来说是涉及一种基于波束选择的低频辅助混合预编码设计方法。

背景技术

为了满足不断增长的无线通信数据传输需求，毫米波以其充沛的频谱资源和更大的通信带宽成为了目前通信技术研究的主要课题。为了补偿毫米波频段的高路径损耗，研究者提出通过在基站端和用户端配置大规模天线阵列，以提供高波束增益和空间复用增益。为了提升通信系统的能量效率，基站端根据信道估计信息设计预编码方案，从而将信号更有指向性的发送给用户，减少能量损失。但是由于大规模天线阵列的部署，毫米波信道估计的复杂度大幅提升，基于低频段与毫米波频段的空间相似性，研究者提出利用低频信息恢复毫米波的空间信息，从而加快信道估计的过程。相比于全数字预编码的高成本，混合预编码能够在对幅度和相位进行控制的同时，减少硬件开销，以合理的成本实现较高性能。目前已经有对低频辅助的单用户毫米波波束选择的研究，本发明将其扩展，研究多用户场景下的基于波束选择的低频辅助混合预编码设计。

发明内容

本发明提出一种多用户场景下的基于波束选择的低频辅助混合预编码设计方案，在数字域部分应用迫零算法以消除多用户干扰，模拟域通过基于码本的波束搜索选择使系统容量最大的波束集。构建毫米波与低频段的异构通信网络，利用低频信息进行波束选择的基础上，提出了5种低频辅助的波束选择方法。基于低频段和毫米波的空间相似性，首先利用低频空间信息得到最优低频波束集，而后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。

本发明考虑一个下行链路的单小区多用户毫米波系统，其中基站具有M个天线和N个射频链，服务于K个单天线用户，如图1所示。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。然后BS通过RF链将信号上变频到RF域。之后，通过模拟预编码器将信号映射到天线上。本发明定义RF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，从预先设定好一组波束码本中选择最优的模拟预编码向量来进行通信，假设使用 DFT码本作为波束码本。

由于毫米波处于高频段，受到的衰减大，波束的方向较为稀疏，所以毫米波具有有限散射簇的特性，因此一般用扩展假设使用扩展Saleh-Valenzuela模型的来建模毫米波信道H，表达式为

其中，N_t和N_r表示阵列天线数，L与R_l分别表示散射簇的数量与第l个簇的路径数量。第l个簇内的第j条路径的复增益记为α_l,j，且其中σ_l满足为使得信道的归一化因子。与分别为发端与收端的阵列响应矢量，与分别为簇l内路径j对应的发射波束的AoD与接收波束的AoA。

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。那么用户u处的接收信号y_u为

其中，是用户u信道矩阵，n_u是服从复高斯分布的噪声向量。假设ρ是BS端发射信号的能量，且数据流s满足

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，本发明使用均匀天线阵列，那么码本元素可以表示为：