[發(fā)明專利]一種毫米波通信中基于迭代最小的預(yù)編碼方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711283536.9
• 申請(qǐng)日: 2017-12-07
• 公開（公告）號(hào): CN108199753B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳蒙;于彥彥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號(hào): H04B7/0456
• 分類號(hào): H04B7/0456;H04B7/0413
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 葉連生

1.一種毫米波通信中基于迭代最小的預(yù)編碼方法，其特征在于：將信道采用DFT分解方式進(jìn)行分解，構(gòu)造出最優(yōu)的混合預(yù)編碼，將混合預(yù)編碼的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為矩陣的分解問題，通過對(duì)數(shù)字預(yù)編碼實(shí)施正交約束，根據(jù)數(shù)字預(yù)編碼的正交特性，將模擬預(yù)編碼的相位提取出來，通過多次迭代，從而形成最終的混合預(yù)編碼方案，包括以下步驟：

步驟1，毫米波通信系統(tǒng)模型如下：

將預(yù)編碼器分為基帶預(yù)編碼器和RF預(yù)編碼器，在發(fā)射機(jī)處有N_t個(gè)天線，在接收機(jī)處有N_r個(gè)天線；N_s個(gè)數(shù)據(jù)流在發(fā)射機(jī)處采用個(gè)RF鏈將其發(fā)送到接收機(jī)，并且滿足接收機(jī)也是如此，即：毫米波通信系統(tǒng)模型使得發(fā)射機(jī)能使用的基帶預(yù)編碼器F_BB，隨后是的RF預(yù)編碼器F_RF；離散時(shí)間發(fā)射信號(hào)X表示為X＝F_RFF_BBS，其中S是N_s×1的符號(hào)向量，并且滿足發(fā)射機(jī)的總功率約束通過歸一化F_BB，使得假設(shè)H是窄帶塊衰落傳播信道矩陣，并且發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處都具有完美的信道狀態(tài)信息CSI，其中，CSI通過在接收機(jī)處的信道估計(jì)來獲得，并且在發(fā)射機(jī)處進(jìn)一步與有效反饋技術(shù)共享；其發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的接收信號(hào)為：

其中，為發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的接收信號(hào)，H是N_r×N_t的信道矩陣，且滿足ρ表示平均接收功率，n是服從的獨(dú)立同分布噪聲向量，表示方差；

在接收機(jī)處，采用RF組合器W_RF和基帶組合器W_BB從接收信號(hào)恢復(fù)出發(fā)送的數(shù)據(jù)流S；經(jīng)過接收機(jī)處理過的信號(hào)為；

其中，y為接收機(jī)處理過的信號(hào)，W_RF是的RF組合矩陣，W_BB是的基帶組合矩陣；與RF預(yù)編碼類似，W_RF也采用移相器來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)射符號(hào)遵循高斯分布時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的頻譜效率可以表示為：

其中，R為頻譜效率，為N_s維的單位陣，為矩陣A對(duì)的偽逆矩陣，A^*為矩陣A的共軛矩陣；

物理信道模型的毫米波信道矩陣：

其中，H為窄帶塊衰落傳播信道矩陣，γ為歸一化因子N_cl和N_ray分別表示簇的數(shù)量和每個(gè)簇中射線的數(shù)量，β_il是第i個(gè)簇中第l個(gè)射線的復(fù)增益，假設(shè)β_il是服從的獨(dú)立同分布高斯隨機(jī)變量，并且和分別表示接收和發(fā)射陣列響應(yīng)向量，表示到達(dá)的方位角AoAs，表示離開的方位角AoAs，表示到達(dá)的仰角AoDs，表示離開的仰角AoDs；

當(dāng)發(fā)射端和接收端采用均勻線性陣列ULA時(shí)，

α(φ)表示陣列響應(yīng)，N表示天線數(shù)，d表示天線間隔，λ表示信號(hào)波長，α(φ)表示陣列響應(yīng)向量，φ表示角度，N表示天線數(shù)，j表示虛數(shù)；

通過最大化毫米波信道上的互信息來設(shè)計(jì)F_RFF_BB，采用解耦設(shè)計(jì)，預(yù)編碼器的設(shè)計(jì)問題表示為：

其中，是可行的RF預(yù)編碼器的組合，也就是具有恒模約束的矩陣集合，F(xiàn)_BB為的基帶預(yù)編碼器，I為單位矩陣；

由于H_v酉等價(jià)于信道H，因此式子(7)重寫為：

將信道H_v進(jìn)行分解，定義其中H_p是對(duì)角矩陣，使用H_v的信道分解式子(8)被重寫為

定義矩陣∑和矩陣V為兩個(gè)部分，分別為：

V＝[V₁ V₂] (10)其中，∑₁是一個(gè)N_s×N_s的矩陣，V₁是一個(gè)N_t×N_s；最優(yōu)的無約束的預(yù)編碼器由F_opt＝V₁給出；預(yù)編碼器的設(shè)計(jì)問題重寫為：

min||F_opt-F_RFF_BB||_F (11)

步驟2，A.數(shù)字基帶預(yù)編碼結(jié)構(gòu)

將數(shù)字預(yù)編碼矩陣的列相互正交，即，其中，F(xiàn)_DD是和F_BB有相同維數(shù)的單位酉矩陣，F(xiàn)_DD為和F_BB有著相同維數(shù)的單位酉矩陣，F(xiàn)_BB為數(shù)字基帶預(yù)編碼矩陣，α為系數(shù)，為N_s維的單位矩陣，

B.混和預(yù)編碼設(shè)計(jì)

將式子(12)代入式子(11)中，目標(biāo)函數(shù)進(jìn)一步重寫為

當(dāng)且僅當(dāng)時(shí)，目標(biāo)函數(shù)(13)有最小值有如下表達(dá)式：

其中，的SVD為當(dāng)且僅當(dāng)時(shí)取等，目標(biāo)函數(shù)的最小值的上限為對(duì)上限進(jìn)行變換，得到：

采用求目標(biāo)函數(shù)的上限即求式子(15)的最小值，混和預(yù)編碼的設(shè)計(jì)問題被重寫為：

問題(16)表示我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)變成了尋找單位預(yù)編碼矩陣F_DD，然后根據(jù)式子(12)就得到相應(yīng)的預(yù)編碼矩陣F_BB；

由于F_RF去除了具有F_BB的乘積形式，所以有如下公式：因此，F(xiàn)_RF的相位由等效的預(yù)編碼器來提??；

對(duì)于數(shù)字預(yù)編碼器的設(shè)計(jì)，首先考慮F_RF是固定的，所以優(yōu)化問題變成了

由式子(18)可知只有一個(gè)優(yōu)化變量F_DD，因此它等效于

根據(jù)雙重規(guī)范的定義可知，我們有：

只有當(dāng)F_DDmV₁U^*時(shí)等式成立，并且是的SVD，S是一個(gè)N_s維的對(duì)角矩陣，它的元素分別是前N_s個(gè)非零奇異值，只有當(dāng)F_DD＝V₁U^*時(shí)等式成立；又因?yàn)榉磸?fù)迭代，直到滿足停止觸發(fā)條件。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述毫米波通信中基于迭代最小的預(yù)編碼方法，其特征在于：利用有限維的空間信號(hào)來表示線性虛擬信道，利用固定的虛擬方向的空間波束，信道能被重寫為：

其中，U_r和U_t是由固定的虛擬角度定義的酉離散傅里葉變換矩陣，他們的列是相互正交的矢量向量

H_v是N_r×N_t的虛擬信道表示，H_v是信道H的酉等價(jià)信道，它能捕獲所有的信道信息。