[发明专利]毫米波大规模MIMO系统中低复杂度混合预编码方法

摘要

本发明公开了一种毫米波大规模MIMO系统中低复杂度混合预编码方法。本发明部分连接混合预编码方案的每个射频链路对应的预编码方案与在不考虑射频链路的情况下的最优数字预编码方案相对应位置之间求取F范数最小值，从而通过每次计算求出一个射频链路的数字预编码矩阵与模拟预编码矩阵。每个射频链路的模拟预编码矩阵相位为最优数字预编码矩阵最大奇异值向量的相位，其数字预编码矩阵元素实部为模拟预编码矩阵的共轭转置乘以对应位置最优数字预编码向量的实部，数字预编码矩阵元素虚部为模拟预编码矩阵的共轭转置乘以对应位置最优数字预编码向量虚部的相反数。本发明能够以更低的算法复杂度获得比模拟预编码更高的系统可达和速度。

主权项

1.毫米波大规模MIMO系统中低复杂度混合预编码方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1.确定系统模型并进行问题描述：1‑1.毫米波大规模MIMO系统信道模型；考虑单小区毫米波大规模MIMO下行链路系统，配有N个射频链路，每个射频链路连接M个移相器，发送数据流Ns，接收天线数为K。毫米波大规模MIMO系统信道采用几何的Saleh‑Valenzuela模型：其中N_t为基站发送天线数，K为用户接收天线数，L为毫米波散射波束，δ_i表示第i条散射波束路径的增益，θ_i∈[0,2π]、分别表示第i条路径的离开角和到达角，和α_BS(θ_i)分别表示基站和用户的天线阵列相应矢量,表示向量α_BS(θ_i)的共轭转置。当天线的阵列分布不同时，该表达式也不同，常见的天线阵列有均匀线性阵列和均匀平面阵列。本文采用均匀线性阵列，和α_BS(θ_i)可表示为：其中λ表示电磁波波长，d表示天线之间的距离。1‑2.毫米波大规模MIMO系统模型采用部分连接毫米波大规模MIMO系统，系统模型如下：y＝HFRFFBBs+n     (4)其中，为发送信号，N_s≤N；H∈C^K×MN为信道矩阵；F_RF∈C^MN×N为模拟预编码矩阵，其形式为F_RF＝diag{f₁,f₂,…,f_N}，其中f_n∈C^M×1且为数字预编码矩阵；n∈C^N×1表示加性高斯白噪声，即σ²表示方差。F_RF与F_BB应满足功率控制，即1‑3.毫米波大规模MIMO系统目标函数假设基站已知信道状态信息与接收端能够完美解码，在不考虑硬件成本情况下，最优数字预编码矩阵Fopt为信道矩阵V的前Ns列，V为信道的右奇异矩阵，即:在部分连接毫米波大规模MIMO系统中，FRFFBB为等效预编码矩阵，由于模拟预编码矩阵的恒模限制与维度限制，导致等效预编码矩阵无法与最优数字预编码矩阵一致，因此需要使得等效预编码矩阵与最优数字预编码矩阵之间误差为最小，即目标函数为：步骤2.目标函数的转化2‑1.目标函数形式在混合预编码矩阵中，FBB可写为如下形式：则等效预编码矩阵为：其中将最优数字预编码矩阵Fopt写成块矩阵的形式其中，2‑2.转化目标函数由于部分连接毫米波大规模MIMO系统中模拟预编码矩阵为块对角化矩阵，因此公式(6)问题可转化为：则上式可化简为：将上式每个迹进行化简得：将式(12)、(13)和(14)代入式(11)可得：对于上式求和中的元素可化简为：即式(11)为：上式中可推到为：由式(17)、(18)可得式(11)为：上式中为定值，根据式(19)，则式(10)可等效为：2‑3.基于最小误差的混合预编码方案在不考虑f_n恒模条件下，式(20)中求取的最大值，f_n的最优解应为矩阵v_n的最大左奇异值向量，即v_n＝uΣv^H,但在实际通信系统中，由于f_n具有恒模性质，因此最优f_n应为：其中：其最小值时f_n,min为其中表示取向量的相位角，在式(20)中，因此其最小值应为0，即：可得则矩阵FRF、FBB中的fn,dn为：为保证成立，通过上述过程得到F_RF、F_BB，再对F_BB进行功率控制处理，得：