[发明专利]一种毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码方法

权利要求书

1.一种毫米波大规模MIMO系统中的混合预编码方法，其特征在于，所述毫米波大规模MIMO系统中，包含N_s个数据流的发射信号s在发射端通过数字预编码模块进行数字预编码处理后，传输至由条射频链、固定相位移相器和射频相加器构成的模拟预编码模块，由模拟预编码模块进行模拟预编码处理后，将数据流映射到N_t根发射天线上，并发送至信道进行数据传输，接收端通过N_r根接收天线接收数据，并依次经过模拟组合器及数字组合器进行处理，得到接收信号y，实现包含多个数据流的多路径数据传输；

所述混合预编码方法包括：

步骤一：为最大化系统的频谱效率，优化所述数字预编码模块、所述模拟预编码模块及模拟组合模块、数字组合模块的设计，将包含模拟预编码矩阵、数字预编码矩阵、模拟组合器矩阵及数字组合器矩阵的混合预编码设计过程中含有非凸约束的优化问题转化为求解欧式距离最小的问题；

步骤二：为解决恒模约束下所述模拟预编码矩阵F_RF相位离散难以求解的问题，在固定移相器后增加一个由开关矩阵S控制的动态网络来自适应调节相位，以提升频谱性能；将模拟预编码矩阵F_RF分解为F_RF＝SC，其中，C为固定相位移相器阵列矩阵；

步骤三：对所述数字预编码矩阵F_BB实施正交约束条件，使得F_BB＝αF_DD；求解所述开关矩阵S中的每个单独开关状态s_k，根据在欧几里德空间里接近变量α，所述开关矩阵S与位置对应元素取值为1，若是在欧几里德空间接近0，对应位置元素取值0；对于α的求解，满足二次函数，在函数取最小值时α为最优解，其中，F_opt表示最佳无约束全数字预编码器，α表示数字矩阵变量，F_DD表示半酉数字预编码矩阵；

步骤四：为了求解步骤三中α的最优解，通过恒模约束条件和矩阵奇异值分解初始构造F_DD；为了实现整体算法的快速收敛和提高频谱效率，通过步骤三完成动态开关矩阵S和变量α对模拟预编码交替优化；然后利用残差矩阵F_res的更新与天线阵列响应矢量A_t的相关性来更模拟预编码矩阵k表示相关性最大的的列数；

步骤五：对步骤四求解的模拟预编码矩阵进行奇异值分解求解半酉数字预编码矩阵F_DD＝KJ^*，然后将步骤四更新的模拟预编码矩阵、数字预编码矩阵与最佳无约束全数字预编码器F_opt比较计算所述残差矩阵

步骤六：步骤四和步骤五循环次，完成对所述数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵的更新，更新完成的混合预编码矩阵反馈到步骤三求解更新所述开关矩阵S和变量α，为解决步骤一中欧式距离最小的问题，循环步骤二至步骤五，得到最佳的混合预编码矩阵。

2.根据权利要求1所述的混合预编码方法，其特征在于，所述接收端的接收信号为：

其中，表示数字预编码器；表示模拟预编码器，满足恒模约束表示信道矩阵，满足表示用户总接收信号向量；ρ代表平均接收功率，是经过调制的发送信号，满足是均值为零，方差为的加性高斯白噪声矢量；

表示发射端频链路数，N_s表示传输数据流数量，N_r表示接收端天线数，N_t表示发射端天线数；表示F范数；W_BB表示数字组合器矩阵；W_RF表示模拟组合器矩阵；表示N_s维单位矩阵。

3.根据权利要求2所述的混合预编码方法，其特征在于，所述混合预编码器F＝F_RFF_BB满足

4.根据权利要求3所述的混合预编码方法，其特征在于，所述MIMO系统的频谱效率为：

其中，为组合噪声协方差矩阵，表示等效处理矩阵，σ_n表示噪声功率。