[发明专利]基于QGA-OMP算法的毫米波大规模MIMO混合预编码方法及系统

说明书

本发明提供一种基于QGA‑OMP算法的毫米波大规模MIMO混合预编码方法及系统，在传统的OMP算法用于毫米波大规模MIMO混合预编码的研究基础上，利用QGA算法模拟自然进化过程、快速搜索全局最优值的特点，搜索与残差内积相乘最大的阵列响应矢量，获得全局最优解的阵列响应向量，从而在发射端获得最优的基带预编码器和射频预编码器，消除了对已知候选矩阵的需求、降低了计算的复杂度；同时，QGA算法获得的全局最优解的阵列响应向量，使本发明的混合预编码性能接近于最优的全数字预编码，极大的提高了系统的频谱效益。

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术领域，特别是涉及一种基于QGA-OMP算法的毫米波大规模MIMO混合预编码方法及系统。

背景技术

第五代通信(5G)能为用户提供更高的数据速率和多种物联网设备的连接，其相比于4G频谱效率提升5～15倍，能效和成本效率提升近100倍，已成为信息发展的主要方向，将渗透到未来社会的各个领域。

现有技术中，大规模多输入多输出(MIMO)技术和毫米波(mmWave)通信技术作为5G的关键技术，采用了混合预编码技术，即预编码处理分为基带预编码(数字预编码)处理和射频预编码(模拟预编码)处理，该方案仅使用少量的射频链路，解决了传统数字预编码成本高、功耗大的问题，在5G的发展中发挥了重要作用，其工作原理说明如下：

请参阅图1，图1所示为单用户毫米波大规模MIMO系统共享阵列体系架构，其中发送和接收数据流均为N_s，发射天线数为N_t，接收天线数为N_r，发射端射频链路数为接收端射频链路数为信号在发射端经过基带预编码器和射频预编码器的两阶段预编码处理后，发射到毫米波信道H中，然后在接收端再经过射频组合器和基带组合器的两阶段预编码处理，生成接收信号输出。

为了解决毫米波大规模MIMO系统中的预编码问题，众多混合预编码方案陆续被提出，文献ELAYACH O,RAJAGOPAL S,ABU-SURRA S,et al.Spatially sparse precoding inmillimeter wave MIMO systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2014,13(3)：1499-1513中，提出了一种基于OMP(orthogonal matching pursuit，正交匹配追踪)算法的混合预编码方法，该算法的主要设计思想就是分别对系统的发射端矩阵和接收端矩阵进行设计，将混合预编码设计等效为多元稀疏信号恢复的问题，取得了较好的性能，但该方法存在需要候选矩阵的问题，即需要从候选矢量集合中选择与残差矩阵相关性最大的射频预编码矢量，这导致计算复杂度相对较高，当天线数目急剧增加时，无法满足通信系统高链路质量和高数据速率的目标的场景的需求，同时侯选矢量集合的设计也会增加额外的开销，进而增加了成本；此外，传统的OMP算法利用候选矩阵选择相关度最高的列，但是各列的角度之间存在一定的间隔，因此所选的阵列响应向量不一定是全局最优解，从而导致频谱效率较低。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于QGA-OMP算法的毫米波大规模MIMO混合预编码方法及系统，用于解决现有技术中的OMP算法在进行混合预编码处理时的计算复杂度较高，且所选的阵列响应向量不一定是全局最优解的问题。

本发明的第一方面提供一种基于QGA-OMP算法的毫米波大规模MIMO混合预编码方法，应用于发射端，所述发射端用于接收信号并对其进行预编码处理，再将处理后的所述信号发射到信道中；其特征在于，包括：

步骤一：定义射频预编码器为空矩阵，同时将最优无约束预编码器赋值给残差矩阵；

步骤二：根据所述残差矩阵得到相关矩阵；

步骤三：利用量子遗传算法得到与所述残差矩阵相匹配的最佳索引，根据所述最佳索引得到最优阵列响应向量；