[发明专利]一种基于透镜阵列的预编码和波束选择矩阵联合设计方法

说明书

本发明公开了一种基于透镜阵列的预编码和波束选择矩阵联合设计方法，属于无线资源分配以及优化算法设计领域。该方法包括：预编码和波束选择矩阵联合设计问题建立及转化，系统参数初始化，根据信道状态信息迭代优化最优预编码矩阵P和波束选择矩阵F，执行资源分配。本发明得到的优化算法设计相较于基于逐次比较的算法以及基于最大波束幅度选择的算法，能得到更高的系统回报值，即更高的系统传输速率和更好的用户体验。

技术领域

本发明涉及无线网络资源分配以及优化算法设计领域，更具体地，涉及一种基于透镜阵列的预编码和波束选择矩阵联合设计方法。

背景技术

近年来，随着无线通信设备如智能手机和平板电脑的普及，无线数据业务迅速增长，使得当前的无线频谱资源越来越紧张。基于毫米波/太赫兹等频段的无线通信因此获得了广泛的关注。毫米波/太赫兹频段具有极大的带宽资源，但由于在空气中衰减比较严重，有效传输距离较短，系统需要应用大规模多天线阵列来增强信号强度。而毫米波/太赫兹频段本身波长很短，又大大方便了天线阵列设计的小型化，因此这两者相辅相成。在大规模阵列系统中，利用有效的预编码/波束成形技术，可以带来巨大的阵列增益和干扰抑制增益。

然而，在传统的大规模阵列系统设计中，基站采用的是全数字链路的方案，这意味着每一个天线阵元都需要一条对应的射频链路（包括数/模转换器，功放，混频器等），从而极大地增加了基站的硬件成本和能耗。为了降低大规模阵列系统的硬件成本和能耗，很多技术和设计应运而生。近年来有研究提出了基于透镜天线阵列的系统设计，利用透镜天线阵列具有基于信号发射角/到达角的能量聚焦特性，通过在系统设计中使用开关阵列网络来替代移相器，有效地降低系统的硬件成本和能耗。透镜天线阵列可以将传统的多输入多输出（MIMO）空域信道转化为波束域信道，因此本发明提出了一个波束选择和预编码矩阵的设计方法。

透镜天线阵列的工作原理是对到达透镜上不同位置的电磁信号进行不同的相移，从而达到波束聚焦在焦点上的目的。透镜阵列能够产生的空间波束数目与阵列天线的阵元数相同，且相互正交，能够覆盖整个空域。在实际系统中，部署了大规模阵列的基站在相同时频域上服务的用户数往往远小于阵元数（也即透镜阵列产生的波束数目），所以用少量的波束就能够满足这些用户。由于一个波束对应着一条射频链路，在用开关网络代替移相器网络以后，基站侧只需要提供跟用户数量相同的射频链路即可满足用户的需求，从而大大减少了系统所需要的射频链路数目，极大降低了系统的硬件成本和功耗。

由于透镜阵列具有的基于角度的能量聚焦特性，它能够将传统的空域MIMO信道等效地转化为波束域的信道，因此，原来混合预编码结构中的波束成形向量设计可以转化为一个波束选择问题。然而，当前的方法都是单独地考虑波束选择的最优设计，然后在波束选择的基础上，在基站的基带数字端采用比较简单的线性预编码方案，所以得到的性能与最优值还有一定的差距。如果在系统设计中，结合基带数字端的预编码设计和波束空间的波束选择综合考虑，就会产生一个在0-1约束下的非凸优化问题，求解这个问题可以得到更好的性能。本发明提出了一种联合设计波束选择和预编码矩阵的优化算法，解决了这个问题，获得了接近全数字预编码方案的性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种联合设计波束选择和预编码矩阵的优化算法。相较于传统的资源分配方法，本发明提出的方法能够解决波束选择带来的0-1约束下的非凸优化问题，因此更加的高效灵活，可大幅提高无线网络性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于透镜阵列的预编码和波束选择矩阵联合设计方法，其特征在于：该方法具有以下步骤：

（1）预编码和波束选择矩阵联合设计问题建立及转化；

（1.1）考虑系统性能，即系统用户可达速率之和，根据系统性能最优化原则，结合透镜阵列的物理结构，设立预编码和波束选择矩阵设计的优化问题；

（1.2）根据加权最小均方误差等价转化定理，将上述优化问题等价转化为一个新优化问题；