[發(fā)明專利]基于并行算法的毫米波混合波束形成方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710459429.0
• 申請日: 2017-06-16
• 公開（公告）號: CN107276657B
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭曉蒙;王勇超;余毅
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué);西安中電科西電科大雷達技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新研究院有限公司
• 主分類號: H04B7/06
• 分類號: H04B7/06;H04B17/391
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

1.基于并行算法的毫米波混合波束形成方法，包括如下步驟：

(1)按照設(shè)定的系統(tǒng)信噪比，得到發(fā)送端的發(fā)送功率門限值P；

(2)輸入原始發(fā)送信號符號：其中N_s為發(fā)送數(shù)據(jù)流個數(shù)；

(3)設(shè)置初始變量，包括：發(fā)送端數(shù)字波束形成矩陣發(fā)送端模擬波束形成矩陣接收端模擬波束形成矩陣接收端數(shù)字波束形成矩陣信道信息矩陣復(fù)高斯白噪聲矩陣接收端到達信號的協(xié)方差矩陣等效翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)到達信號的協(xié)方差矩陣全射頻鏈路連接情況下的最優(yōu)數(shù)字波束形成發(fā)送端矩陣與接收矩陣其中k為毫米波干擾信道系統(tǒng)的第k個用戶，j為毫米波干擾信道系統(tǒng)的第j個用戶，N_t為發(fā)送天線的個數(shù)，N_r為接收天線的個數(shù)，為發(fā)送天線所擁有的射頻鏈路的個數(shù)，為接收天線所擁有的射頻鏈路的個數(shù)；

(4)建立求解期望的系統(tǒng)接收端與發(fā)送端數(shù)字波束形成變量W和模擬波束形成變量F的優(yōu)化模型：

其中，表示矩陣的F范數(shù)，|F_ij|表示矩陣F的第i行j列元素的模值；

對于系統(tǒng)接收端：F表示為接收端模擬波束形成矩陣F_r,k，W表示為接收端數(shù)字波束形成矩陣W_r,k，D°表示為接收端全射頻鏈路連接情況下的最優(yōu)數(shù)字波束形成矩陣R表示為到達信號的協(xié)方差矩陣

對于系統(tǒng)發(fā)送端：F表示為發(fā)送端模擬波束形成矩陣F_t,k，W表示為發(fā)送端數(shù)字波束形成矩陣W_t,k，D°表示為發(fā)送端全射頻鏈路連接情況下的最優(yōu)數(shù)字波束形成矩陣R表示為等效翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)到達信號的協(xié)方差矩陣

(5)固定模擬波束形成矩陣F，通過拉格朗日乘子算法對優(yōu)化模型1中的數(shù)字波束形成矩陣W進行求解，得到數(shù)字波束形成矩陣W的求解表達式：

W＝(F^HRF+λF^HF)^-1F^HRD° 2

其中，F(xiàn)^H表示矩陣F的共軛轉(zhuǎn)置，λ為拉格朗日乘子變量；

(6)固定步驟(5)求解得到的數(shù)字波束形成矩陣W，通過并行算法對優(yōu)化模型1中的模擬波束形成矩陣F進行求解，得到模擬波束形成矩陣F的值，按如下步驟進行：

(6a)采用拉格朗日乘子算法，得到優(yōu)化模型1中關(guān)于模擬波束形成矩陣F的拉格朗日乘子函數(shù)表達式L(F,λ)，表示為：

其中，λ≥0為拉格朗日乘子變量；

(6b)對式3在第v次迭代的模擬波束形成矩陣F^v處進行一階泰勒展開，并添加一個懲罰因子項，得到式3的近似表達式4：

其中，v表示第v次迭代，ρ＞0為懲罰項因子，Re(x)表示取復(fù)數(shù)矩陣x的實部，Tr(x)表示取矩陣x的跡，表示式3對模擬波束形成矩陣F^v求導(dǎo)的表達式，表示對矩陣的共軛轉(zhuǎn)置；

(6c)模型1經(jīng)過(6b)的式4近似變換和等效轉(zhuǎn)化后，得到以下優(yōu)化模型5：

其中，變量A_ij為矩陣A第i行j列的元素，F(xiàn)_ij表示模擬波束形成矩陣F第i行j列的元素，N與M表示模擬波束形成矩陣F的維數(shù)；

(6d)采用并行算法求解優(yōu)化模型5，得到模擬波束形成矩陣F每一個元素F_ij的求解表達式：

(6e)通過式6對模擬波束形成矩陣F的所有元素進行遍歷求解，得到模擬波束形成矩陣F的第v+1次迭代結(jié)果F^v+1；

(6f)對拉格朗日乘子λ進行更新，得到其第v+1次迭代更新表達式：

其中，α^v為第v次迭代時的步長，λ^v表示拉格朗日乘子的第v次迭代時λ的值；

(6g)設(shè)置迭代停止條件為10^-4；

(6h)對上述步驟(6a)-(6f)進行迭代求解直到的值滿足步驟(6g)設(shè)置的停止條件，得到優(yōu)化模型1期望的模擬波束形成矩陣F，其中F^v+1表示第v+1次迭代模擬波束形成矩陣F的值，F(xiàn)^v表示第v次迭代模擬波束形成矩陣F的值；

(7)設(shè)置交替迭代的終止值為10^-2；

(8)對上述步驟(5)與(6)進行迭代求解，直到的值滿足步驟(7)設(shè)置的終止值，得到優(yōu)化模型1期望的數(shù)字波束形成矩陣W和模擬波束形成矩陣F，完成毫米波MIMO干擾系統(tǒng)發(fā)送端與接收端混合波束形成的設(shè)計，其中，F(xiàn)^u與W^u表示第u次迭代時的模擬波束形成矩陣F與數(shù)字波束形成矩陣W的值。