[发明专利]一种基于梯度下降法的混合预编码方法

说明书

本发明公开了一种基于梯度下降法的混合预编码算法，具体为大规模MIMO中针对部分连接的移相器网络的混合预编码算法。本发明旨在数字域预编码固定的情况下，单独优化模拟域预编码，以降低算法复杂度；本发明分为两大部分：一是在随机给定模拟域的预编码器情况下，利用最小二乘法求解基带预编码器和组合器；二是提出利用梯度下降法求解模拟预编码器和组合器的算法；本发明提出梯度下降的方法，能够在频谱效率保持最佳的条件下，有效地降低算法复杂度，并且具有快速收敛的优势。同时，该方法适用于不同分辨率的移相器网络，算法灵活度更高。

技术领域

本发明涉及大规模MIMO通信技术领域，具体涉及一种基于梯度下降法的混合预编码方法。

背景技术

随着毫米波通信技术不断发展，毫米波大规模MIMO相关技术也有了很大的突破。毫米波大规模MIMO最大的特点就是能够实现同时传输多个数据流，有效地提升系统的信号容量。然而比起微波系统，毫米波传播时信道具有稀疏性。即毫米波传播时的衰减比较大，能够辐射出去的功率比较小。为了克服毫米波通信中的衰减，在大规模MIMO系统中引入预编码技术。

预编码是一种利用信道信息对发射信号进行预处理以提高系统传输速率和链路可靠性的技术。由于毫米波大规模MIMO通信系统中，发射器和接收器均使用了大型的阵列天线，因此使用传统的全数字预编码技术会造成硬件约束。为此，提出采用小尺寸数字预编码器和大尺寸模拟预编码器的混合预编码技术，该技术能够有效地减少系统的硬件成本，并且提高系统的频谱效率。混合预编码算法的核心在于共同优化数字预编码器和模拟预编码器，使得系统的和速率最大。

目前，广泛的混合预编码算法的复杂度大。当发射器和接收器端天线数量增大时，系统计算复杂度会随之增加。基于梯度下降的方法在满足性能的前提下，进一步降低成本以及算法的复杂度。

发明内容

本发明针对目前现有的预编码算法硬件成本高且计算复杂度问题，提出了一种基于梯度下降法的混合预编码方法，该混合处理方法在性能和计算成本上较现有技术都表现更佳。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：

基于梯度下降法的混合预编码方法，该算法至少包括两部分：数字基带预编码和模拟预编码，具体步骤如下：

第一步，问题的归结：

针对毫米波单用户系统，采用部分连接的结构，即每条RF链路仅与一个独立的天线子阵列相连；发送端N_s条数据流经过数字预编码器处理后，在模拟域中经过模拟预编码器调相到天线阵元，然后通过N_t根发射天线传输，最终的发射信号x表示为：

x＝F_RFF_BBs

其中，为信号矢量；假设E[·]表示求期望，为维度为N_s的单位矩阵；考虑毫米波信道，并且接收端配有N_r根接收天线，接收端经过解码后的信号为：

其中，其中ρ为接收功率，为信道矩阵，W_BB和W_RF分别表示接收端的数字合并矩阵和模拟合并矩阵；n为均值为0、方差为σ²的加性高斯噪声，即

假设发射端已知完全信道状态信息，则对应频谱效率为：

其中，表示经过接收端处理后的噪声协方差矩阵；

问题归结为：在给定输入信噪比的情况下，最大化频谱效率：

约束条件为：

由于联合优化问题是非凸的，将该问题拆成两部分；