[发明专利]一种应用于毫米波通信的共享幅度加权模拟波束成形方法

权利要求书

1.一种应用于毫米波通信的共享幅度加权模拟波束成形方法，其特征是应用于由一个基站与K个用户端所构成的下行通信网络环境中；假设所述基站的天线有N_BS根，射频链数为N_RF，K个用户端为单天线，且射频链数为一条；

步骤1、令第k个用户端的信道采用如式(1)所示的莱斯信道模型h_k：

式(1)中，v_k为第k个用户端信道的莱斯因子，h_L,k为所述基站与第k个用户端的直视径信道；并有：

式(2)中，为第k个用户端直视径信道的下行离开角，为离开角为的天线阵列响应矢量；

式(1)中，h_N,k为所述基站与第k个用户端的散射径信道，并有：

式(3)中，L为用户端的散射径信道条数，a_k,l为第k个用户端第l条散射径的路径系数，为第k个用户端第l条散射径信道的下行离开角，为离开角为的天线阵列响应矢量；

步骤2、令基站采用等距线阵天线，则利用式(4)得到离开角为θ的天线阵列响应矢量a(θ)：

式(4)中，d表示天线间距，λ表示波长；j为虚数单位，且

步骤3、假设基站具有K×1的原始信号s要向K个用户端发送，则利用式(5)得到共享幅度加权模拟波束成形矩阵F_RF：

F_RF＝WF (5)

式(5)中，F是N_BS×N_RF维第一级模拟域预编码矩阵，由相移器网络构成，且所述第一级模拟域预编码矩阵F中的元素满足如式(6)所示的幅度限制：

式(5)中，(F)_m,n为矩阵F的第m行，第n列个元素，W为N_BS×N_BS维对角共享幅度加权矩阵，由功率放大器构成，且所述对角共享幅度加权矩阵W中的元素满足如式(7)所示的功率约束：

步骤4、设计共享幅度权值：

若共享幅度权值可调；则执行步骤4.1和步骤4.2；

若共享幅度权值固定；则执行步骤4.3；

步骤4.1、在已知信道状态信息的情况下，固定第一级模拟域预编码矩阵F，考虑对角共享幅度加权矩阵W的功率约束，并最大化K个用户端总的可达速率，从而利用式(8)所示的凸问题优化方法对共享幅度权值进行建模，得到共享幅度权值可调模型：

式(8)中，γ_k表示第k个用户的信干噪比；q_k表示对应于第k个用户的中间变量；表示第t次迭代过程对于式(8)进行求解得到的对应于第k个用户的中间变量，表示以第一级模拟域预编码矩阵F的第k列为对角线元素形成的对角矩阵；H表示共轭转置；表示共享幅度权值矩阵W对角线元素组成矢量的复数取值向量；表示第t次迭代过程对于式(8)进行求解得到的共享幅度权值矩阵W对角线元素组成矢量的复数取值向量；表示噪声的方差；

步骤4.2、利用内点法对所述共享幅度权值可调模型进行求解，得到复数向量并对复数向量中的各元素取模值，所得的结果作为对角共享幅度加权矩阵W的各对角元素；

步骤4.3，利用式(9)所示的凯瑟窗进行共享幅度权值的设计：

式(9)中，W_m表示对角共享幅度加权矩阵W的第m个对角线元素，β表示调节因子，用于实现波束主瓣宽度和旁瓣水平的调节；I₀表示第一类零阶修正贝塞尔函数；α表示功率归一化因子；

步骤5、设计相移器矩阵：

步骤5.1、利用波束训练方法采集各个用户端直视径信道的离开角，并构成离开角集合Φ_A＝{φ_A,1,φ_A,2,…,φ_A,k,…,φ_A,K}，φ_A,k表示第k个用户端直视径信道的离开角；

步骤5.2、利用式(10)设计第一级模拟域预编码矩阵F的第k列f_k：

式(10)中，是对于括号中的相位值进行量化操作；

步骤5.3、若共享幅度权值可调，则利用式(11)设计最终相移器网络矩阵F_final：

式(11)中，W_PH表示相位矩阵，并有：

式(12)中，Diag(·)表示以括号中的向量作为对角线元素形成的对角矩阵；表示由向量各元素的相位构成的向量；

若共享幅度权值固定，则第一级模拟域预编码矩阵F即为最终相移器网络矩阵。