[发明专利]基于ISA的模拟/数字混合波束形成方法

摘要

本发明公开一种基于ISA的模拟/数字混合波束形成方法，该方法的步骤是，输入基站信号，交替迭代求解用户、中继和基站三端的模拟/数字混合波束成形矩阵，采用ISA算法交替迭代求解数字波束成形矩阵和模拟波束成形矩阵，得到每一端的模拟/数字混合波束成形矩阵，输出经用户、中继和基站三端的模拟/数字混合波束成形矩阵处理后的输入信号。本发明相比现有技术进行波束形成的方法，具有硬件成本低，系统功耗小，传输距离大的优点，本发明可用于采用中继技术的毫米波通信系统中，在天线阵列规模较大情况下，优化基站，中继和用户三端的模拟/数字混合波束成形矩阵。

主权项

1.一种基于逐次迭代逼近ISA的模拟/数字混合波束形成方法，其特征在于，利用基站和用户之间的直接信道和间接信道向用户传送基站信号，使用线性约束代替恒模约束，逐次迭代使线性约束逼近恒模约束；该方法的具体步骤包括如下：(1)输入基站信号；(2)按照下式，计算用户接收信号：y＝(H·C·B·AH·G+J)·Z·Y·S+H·A·B·CH·N+M其中，y表示用户接收到的信号，该信号包括基站信号和中继转发的基站信号，H表示中继到用户的信道矩阵，·表示相乘操作，C表示每一个元素的模值为1的中继发射模拟波束成形矩阵，B表示中继数字波束成形矩阵，A表示每一个元素的模值为1的中继接收模拟波束成形矩阵，H表示共轭转置操作，G表示基站到中继的信道矩阵，J表示基站到用户的信道矩阵，Z表示每一个元素的模值为1的基站模拟波束成形矩阵，Y表示基站数字波束成形矩阵，S表示基站信号矢量，N表示中继到用户的信道的高斯白噪声矢量，M表示基站到用户的信道的高斯白噪声矢量；(3)按照下式，计算第一次用户循环迭代的用户数字波束成形矩阵如下：W1＝((F1)H·E[y·yH]·F1)‑1·(F1)H·E[y·yH]·(E[s·yH]E[y·yH]‑1)H其中，W1表示第一次用户循环迭代的用户数字波束成形矩阵，F1表示由随机赋角度值每一个元素的模值为1的用户模拟波束成形矩阵，(·)‑1表示矩阵求逆操作；(4)按照下式，更新用户数字波束成形矩阵：Wn＝((Fn‑1)H·E[y·yH]·Fn‑1)‑1·(Fn‑1)H·E[y·yH]·(E[S·yH]·E[y·yH]‑1)H·Fn‑1其中，Wn表示第n次用户循环迭代的用户数字波束成形矩阵，Fn‑1表示第n‑1次用户循环迭代的用户模拟波束成形矩阵；(5)利用逐次迭代逼近法，更新用户模拟波束成形矩阵：(5a)利用矩阵转矢量方法，将每次用户循环迭代的用户模拟波束成形矩阵转换为每次用户循环迭代的用户模拟波束成形矢量；(5b)利用模拟波束成形公式，求解用户模拟波束成形矢量：(5c)利用矢量转矩阵方法，将每次用户循环迭代的用户模拟波束成形矢量转换为每次用户循环迭代的用户模拟波束成形矩阵；(6)判断每次用户循环迭代的用户模拟波束成形矢量是否满足恒模约束条件，若是，则执行步骤(7)，否则，执行步骤(4)；所述的恒模约束条件如下：xn＝[Re(vec(F1))T,Im(vec(F1))T]T其中，xn表示第n次用户循环迭代的用户模拟波束成形矢量；(7)判断当前用户循环迭代与上一次用户循环迭代用户优化模型值的差是否满足收敛条件ε1≤10‑4，若是，将用户循环迭代次数设置为1后执行步骤(8)，否则，将用户循环迭代次数加1后执行步骤(3)；(8)按照下式，计算第一次中继循环迭代的中继数字波束成形矩阵：其中，B1表示第一次中继循环迭代的中继数字波束成形矩阵，C1表示由随机赋角度值每一个元素的模值为1的中继接收模拟波束成形矩阵，ytR＝G·Z·Y·S+N表示中继接收信号，A1表示由随机赋角度值每一个元素的模值为1的中继发射模拟波束成形矩阵；(9)按照下式，更新中继数字波束成形矩阵：其中，Bj表示第j次中继循环迭代的中继数字波束成形矩阵，Cj‑1表示第j‑1次中继循环迭代的中继接收模拟波束成形矩阵，Aj‑1表示第j‑1次中继循环迭代的发射模拟波束成形矩阵；(10)利用逐次迭代逼近法，更新中继接收模拟波束成形矩阵：(10a)利用矩阵转矢量方法，将每次中继循环迭代的中继接收模拟波束成形矩阵转换为每次中继循环迭代的中继接收模拟波束成形矢量；(10b)利用模拟波束成形公式，求解中继接收模拟波束成形矢量；(10c)利用矢量转矩阵方法，将每次中继循环迭代的中继接收模拟波束成形矢量转换为每次中继循环迭代的中继接收模拟波束成形矩阵；(11)利用逐次迭代逼近法，更新中继发射模拟波束成形矩阵：(11a)利用矩阵转矢量方法，将每次中继循环迭代的中继发射模拟波束成形矩阵转换为每次中继循环迭代的中继发射模拟波束成形矢量；(11b)利用模拟波束成形公式，求解中继发射模拟波束成形矢量：(11c)利用矢量转矩阵方法，将每次中继循环迭代的中继发射模拟波束成形矢量转换为每次中继循环迭代的中继发射模拟波束成形矩阵；(12)判断每次中继循环的中继接收模拟波束成形矢量与中继发射模拟波束成形矢量是否满足恒模约束条件，若是，则执行步骤(13)，否则，执行步骤(9)；所述的恒模约束条件如下：cj＝[Re(vec(C1))T,Im(vec(C1))T]Taj＝[Re(vec(A1))T,Im(vec(A1))T]T其中，cj表示第j次中继循环迭代的中继发射模拟波束成形矢量，aj表示第j次中继循环迭代的中继接收模拟波束成形矢量；(13)判断当前迭次与上一次迭代中继优化模型值的差是否满足收敛条件ε2≤10‑4，若是，将中继循环迭代次数设置为1后执行步骤(14)，否则，将中继循环迭代次数加1后执行步骤(8)；(14)按照下式，计算第一次基站循环迭代的基站数字波束成形矩阵：其中，Y1表示第一次基站循环迭代的基站数字波束成形矩阵，Z1表示由随机赋角度值每一个元素的模值为1的基站模拟波束成形矩阵；(15)按照下式，更新基站数字波束成形矩阵：其中，Ym表示第m次基站迭代的基站数字波束成形矩阵，Zm‑1表示第m‑1次基站循环迭代的基站模拟波束成形矩阵；(16)利用逐次迭代逼近法，更新基站模拟波束成形矩阵：(16a)利用矩阵转矢量方法，将每次基站循环迭代的基站模拟波束成形矩阵转换为每次基站循环迭代的基站模拟波束成形矢量；(16b)利用模拟波束成形公式，求解基站模拟波束成形矢量；(16c)利用矢量转矩阵方法，将每次基站循环迭代的基站模拟波束成形矢量转换为每次基站循环迭代的基站模拟波束成形矩阵；(17)判断每次基站循环的基站模拟波束成形矢量是否满足恒模约束条件，若是，则执行步骤(18)，否则，执行步骤(15)；所述的恒模约束条件如下：zm＝[Re(vec(Z1))T,Im(vec(Z1))T]T其中，zm表示第m次基站循环的基站模拟波束成形矢量；(18)判断当前迭次与上一次迭代基站优化模型值的差是否满足收敛条件ε3≤10‑4，若是，将用户循环迭代次数设置为1后执行步骤(19)，否则，将基站循环迭代次数加1后执行步骤(14)；(19)判断外循环中当前迭次与外循环上一次迭代全局优化模型值的差是否满足收敛条件，若是，则执行步骤(20)，否则，将外循环迭代次数加1后执行步骤(2)；所述的收敛条件如下：其中，p表示外循环迭代次数；(20)求解模拟/数字混合波束形成矩阵；用户数字波束成形矩阵与用户模拟波束成形矩阵相乘，得到用户模拟/数字混合波束形成矩阵，中继接收模拟波束成形矩阵与中继数字波束成形矩阵再与中继发射模拟波束成形矩阵相乘，得到中继模拟/数字混合波束形成矩阵，基站数字波束成形矩阵与基站模拟波束成形矩阵相乘，得到基站模拟/数字混合波束形成矩阵；(21)输出信号；输出经用户模拟/数字混合波束形成矩阵，中继模拟/数字混合波束形成矩阵，基站数字波束成形矩阵与基站模拟/数字混合波束形成矩阵处理后的信号。