[发明专利]一种部分连接架构下的多用户毫米波通信波束成形方法

权利要求书

1.一种部分连接架构下的多用户毫米波通信波束成形方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)建立毫米波上行单用户波束训练的信号传输模型和毫米波信道模型；

(2)利用接收SNR最大原则推导出最佳数字波束成形和模拟波束成形设计，通过引入阵列因子将(1)中的信号传输模型改写为两级天线阵的组合形式，并建立波束训练的问题模型，给出了快速波束训练的具体步骤；

(3)构建下行多用户通信的信号传输模型并建立多用户波束成形的问题模型；

(4)根据(2)中的最佳数字波束成形向量和模拟波束成形矩阵，进行了多用户混合波束成形的模拟波束成形和数字波束成形设计，并采用迫零准则设计数字波束成形，消除不同数据流之间的干扰；

考虑一个基站服务K个用户的通信场景，其中用户端均为单天线用户，基站端采用部分连接的混合波束成形架构；假设系统采用时分双工结构，即可利用上下行信道的互易性通过估计上行信道来获得下行信道的状态信息，令基站端在连续时间内对K个用户分别进行上行信道的波束训练；步骤(1)中建立毫米波上行单用户波束训练的信号传输模型和毫米波信道模型，具体步骤如下：

(1.1)建立上行单用户波束训练的信道传输模型，如下式所述：

其中x_k表示第k个用户发送的导频信号，满足的功率约束，P_u表示用户端的发射功率；表示基站接收到的第k个用户发送的导频信号，h_k,f_BB,F_RF分别表示第k个用户上行通信的信道向量、基站端的数字波束成形向量和基站端的模拟波束成形矩阵；η_k表示加性复高斯白噪声向量且满足(·)^H表示共轭转置运算；

令表示基站端的混合波束成形向量，则信道传输模型可重新写为

其中混合波束成形向量f不提供功率增益，即所以δ_k仍为均值为0，方差为的复高斯噪声项；||·||₂表示向量的2范数；

(1.2)建立毫米波上行信道模型，方法如下：

其中N_BS表示基站端配备的天线数目，L_k表示第k个用户与基站端的信道多径总数，α_l,k表示第l条路径的信道增益；假设ω_l,k∈[-π,π]为第l条路径的空间AoA，则信道AoA表示阵列导向矢量，其具体表达式如下

其中d表示天线间距，λ为载波波长；假设基站天线阵列采取均匀线性阵列，则有d＝λ/2；(·)^T表示转置运算；

步骤(2)中推导出最佳数字波束成形和模拟波束成形设计，通过引入阵列因子建立波束训练的问题模型，并给出了快速波束训练的具体方法，具体步骤如下：

(2.1)由于波束训练的本质为寻找令接收端SNR最大的收发波束成形向量，则可基于基站接收信号SNR最大原则，设计最优的模拟波束成形矩阵F_RF和数字波束成形向量f_BB，获得最佳的混合波束成形向量f；依据(1.1)中的信号传输模型，基站接收第k个用户导频时的信噪比SNR_k表达式如下：

假设上行信道h_k只有一条主径，用l＝1指代，其路径增益的模|α_1,k|远大于其他从径，为后续表达简便，忽略下标“1”，令α_k和分别表示基站与第k个用户间信道的主径增益和主径AoA，则信道向量h_k可近似表示为

为使SNR_k最大化，可将信道向量h_k的主径近似表达代入SNR_k表达式推导出其上限：

上述推导中利用了柯西-施瓦茨不等式，该等式成立的条件为其中C表示一个常量系数；将模拟波束成形和数字波束成形设计为以下形式即可满足等式的成立条件：

其中N_RF表示射频链路的数目；此时混合波束成形向量f为

(2.2)根据SNR_k最大时的F_RF和f_BB的表达形式，令其中θ∈[-1,1]为N_RF个天线子阵的指向角，ξ表示数字波束成形向量的指向角；

定义阵列因子为

其中θ∈[-1,1]表示天线阵列的指向角，ψ∈[-1,1]表示信道AoA；通过引入阵列因子步骤(1)中的信号传输模型可表示为两级天线阵的组合表示形式：

其中表示具有N_BS/N_RF根天线且天线间距为λ/2的第一级天线阵列，其指向角为θ；表示具有N_RF根天线且天线间距为λN_BS/2N_RF的第二级天线阵列，其指向角为ξ；当θ和ξ均与主径到达角相等，即时，基站端的接收信号SNR最大；基于此，第k个用户的波束训练可建立为如下问题模型

(2.3)基于步骤(2.2)中推导得到的两级阵列组合形式的信号传输模型，可得快速波束训练方法的具体步骤：

(2.3.1)定义指向角θ的训练波束方向角合集为指向角ξ的训练波束方向角合集为则可将和设计为

并保证

L₂≥N_RF

(2.3.2)遍历第一级天线阵指向角集合中的所有角度θ(1),…,θ(L₁)，并对每一个指向角θ(l₁)计算

则针对θ(l₁)的最佳第二级天线阵列指向角的搜索可转换为如下优化问题

通过遍历集合中的所有角度ξ(l₁,1),…,ξ(l₁,L₂)即可求解上述优化问题；指向角ξ(l₁,l₂)的搜索是在数字域中进行，即意味着并行执行多个指向角ξ(l₁,l₂)的搜索是可行的；

(2.3.3)最后确定与信道主径AoA最匹配的模拟波束训练角度可将其建立为以下优化问题模型

则遍历的过程中即可求解上式优化问题；将波束训练得到的和带入θ(l₁)和ξ(l₁,l₂)即可得到第一级天线阵列最佳指向角和第二级天线阵列最佳指向角

步骤(3)中，建立了下行信道数据传输的信号模型并构建多用户混合波束成形的问题模型，具体步骤如下：

(3.1)建立下行信道数据传输模型，如下所示：

其中s表示基站端发送的数据流，满足的功率约束，P_s表示基站端的发射功率，s的第k个元素[s]_k表示基站发送给第k个用户的数据；表示第k个用户的接收信号，表示第k个用户与基站间的下行信道向量，η_k表示第k个用户所接收的加性白噪声，其服从均值为0，方差为的复高斯分布，即F_BB表示数字波束成形矩阵；

(3.2)多用户波束成形的目标是通过设计F_RF和F_BB来最大化K个用户的平均和速率，等效于最大化K个用户的接收信号功率，为达成上述目标，定义混合波束成形矩阵建立多用户混合波束成形的问题模型为

k＝1,2,…,K

步骤(4)中对空间角度域临近的多用户的数字波束成形和模拟波束成形进行设计，并利用迫零准则消除不同数据流之间的干扰，具体步骤如下：

(4.1)为最大化K个用户的平均和速率，由则(3.2)中建立的多用户波束成形问题与步骤(2.1)中的接收SNR最大化问题等价，故基于步骤(2.1)给出的SNR_k最大时的F_RF和f_BB的表达形式，将数字波束成形矩阵F_BB设计为

其中表示第k个用户的主径AoA，且满足其中I₁的选取满足条件I₁≥N_BS/N_RF；

并设计模拟波束成形矩阵F_RF为

其中指向角θ为

即令K个用户的主径AoA尽量接近第一级天线阵列产生的宽波束覆盖范围的中心，从而使得生成的K个波束逼近导向矢量生成的窄波束；

(4.2)为消除不同数据流之间的干扰，定义F_BB为一级数字波束成形矩阵，利用迫零准则进一步设计二级数字波束成形矩阵级联在F_BB后，组合为最终的数字波束成形矩阵即

将(3.1)中第k个用户接收到的信号改写成集合形式，即则下行数据传输的信号模型可写为

其中η＝[η₁,η₂,…,η_K]^T表示复高斯噪声向量，等效信道矩阵G_e表示为

则采用迫零准则设计的二级数字波束成形矩阵表达式为

将其与一级数字波束成形矩阵F_BB级联即可得到最终的数字波束成形矩阵