[發明專利]面向寬帶毫米波通信系統半動態子陣混合結構的設計方法

有效

• 申請號: 202010892498.2
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN111988073B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 王俊波;楊凡;張華;常傳文
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04B7/0456
• 分類號: H04B7/0456;H04B7/0413
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 沈廉

1.一種面向寬帶毫米波通信系統半動態子陣混合結構的設計方法，其特征在于該設計方法包括以下步驟:

步驟1：提出半動態子陣PDS混合結構，針對寬帶毫米波多輸入多輸出MIMO通信場景建立系統模型和信道模型，并提出使系統頻效最大化的優化目標，建立優化問題；

步驟2：對步驟1中的優化問題進行分析，并提出依據信道統計信息動態分配子陣的交替最小化AMD算法，獲得子陣分配矩陣；

步驟3：在步驟2中獲得子陣分配矩陣的基礎上，進一步提出依據信道瞬時信息的混合預編碼算法，并考慮波束斜射的影響，在數字域對混合預編碼矩陣進行補償；

其中：

步驟1中所述的建立系統模型和信道模型具體包括如下步驟：

步驟1.1：建立針對半動態子陣PDS混合結構的寬帶毫米波MIMO系統模型：

考慮一個點對點的寬帶毫米波MIMO，采用寬帶正交頻分復用OFDM的調制方式，總子載波個數為K；設第k個子載波上的發送符號向量為s_k，滿足N_s為數據流的個數,E[.]期望運算；第k個子載波上數字預編碼矩陣為射頻RF鏈的個數為N_rf；記總天線個數為N_t，N_t個天線分為M個子陣，每個子陣N_a＝N_t/M天線；記第j個RF鏈連接的子陣集合為S_j，由于M個子陣劃分為N_rf個子集，則

其中，∪表示集合的并集，另外，由于每個子陣只能連一個RF鏈，即第i個RF鏈連接的子陣集合S_i與第j個RF鏈連接的子陣集合無交集，則

其中，∩表示集合的交集，每個RF鏈可以選擇至少一個子陣，則

其中表示空集，通過移相器實現的模擬預編碼矩陣為由于移相器只改變信號的相位，不改變信號的幅度，所以模擬預編碼矩陣存在如下恒模約束

其中v_ij表示第i個子陣連接到第j個RF鏈上的模擬預編碼矩陣，|·|表示向量的模值，是指示函數定義為

其中，1表示所有元素均為1的矩陣；0表示所有元素均為0的矩陣，

因此發射端發送符號表達為

x_k＝VF_ks_k，k∈{1,2,…,K} (6)

另外，存發射功率約束

其中P_tot表示總的發射功率，||·||_F為矩陣的F范數；

步驟1.2：建立毫米波MIMO信道模型：

幾何信道模型共有L個波束簇，第l(1≤l≤L)個族內有R_l個散射徑，在這個模型下，第d個時延的信道矩陣為

其中φ_R,l和φ_T,l分別表示時延、到達角、離開角，參數表示復路徑增益、相對時延、第l個簇中的第r_l個散射徑的相對到達角和離開角，p(τ)表示周期為T_s的脈沖成型函數在τ處的值，另外，a_R(·)和a_T(·)表示發送和接收陣列響應向量，表示為

其中，N為對應的天線數，λ為載波波長，d′為天線之間的距離；基于上述信道模型，當不考慮波束斜射的影響，第k個子載波上的信道矩陣為

其中定義為

其中，D為導頻長度；

考慮波束斜射的影響，第k個子載波上的信道矩陣為

其中

其中f_c表示中心頻率，c表示光速，這里B表示帶寬；

步驟1.3：提出使系統頻效最大化的優化目標，建立優化問題

毫米波MIMO系統的和速率表達式為

其中，det·為求矩陣的行列式，I為單位陣，為了最大化系統的和速率，進行動態子陣結構和預編碼矩陣的聯合設計，σ²為噪聲方差；

由于信道變化較快，利用統計信道信息進行動態子陣結構的設計，存在如下子陣分配問題

s.t.是受約束于后面的條件；

另外，利用瞬時信道信息進行預編碼的設計，存在混合預編碼問題

其中，det·為求矩陣的行列式，因此，系統合速率最大的優化問題可以拆分為以上兩個子問題進行求解；

所述步驟2包括如下步驟：

步驟2.1：對優化問題分析轉化：

對于第一個子問題，注意到{S_j}表示模擬預編碼矩陣V非零項的位置，因此問題可以轉化為

定義V＝AB，其中A是塊對角陣，包含了移相器信息，其對角線塊矩陣為a₁,…,a_m，…,a_M，即A＝diag(a₁,…,a_m，…,a_M)，其中表示第m個子陣的模擬預編碼，同時有

a_m(i)＝1，m＝1,2,…,M,i＝1,2,…,N_A (18)

表示二進制的子陣分配矩陣，同時有

則功率約束可以重新寫為

此時引入等價信道

則子陣分配問題可以等價為

其中，tr·表示矩陣的跡，利用矩陣A元素的模為1的性質，可以轉化只和矩陣B有關系的，即

其中||·||₁表示矩陣的1范數，

步驟2.2：提出子陣設計AMD算法：

先求解無約束的最優解，然后把求得的解投影到約束空間里，從而得到子陣分配矩陣B，

通過SVD分解來求解，對進行SVD分解得到假設包含了的N_rf個主特征向量，即則最優解為

B^*＝U_QQ (25)

其中是一個任意的酉矩陣；

然后考慮原問題的約束，需要更新Q來最小化B和B^*的F范數，然后得到如下

其中表示酉矩陣的集合，該問題是分步求解，其中變量B通過求解如下問題進行更新

該問題的解為

其中每個i對應的j^*可以表示為

變量Q通過求解如下問題進行更新

該問題的解為

其中V_Z，U_Z為對B^HU_Q進行奇異值分解所得，即

通過交替最小化更新變量B和Q，獲得子陣連接矩陣B的解；以上即為半動態子陣混合結構對應的子陣設計AMD算法；

在步驟3包括如下步驟：

步驟3.1：子陣分配矩陣的基礎上，對優化問題進行轉化：

在獲得子陣分配矩陣的基礎上，對于第二個子問題

為了對約束進行解耦合，引入一個新的變量X_k

X_k＝ABF_k，k＝1,2,…,K (32)

利用增強型拉格朗日懲罰方法，并引入K個乘子變量V_k、懲罰系數ρ，則原問題可以重新表述為

其中{W_k}表示權重，{U_k}表示接收端的合并矩陣，E_k(U_k,X_k)表示均方誤差MSE矩陣

步驟3.2：提出混合預編碼HP算法：

注意到該問題的約束變量是可分離的，我們利用塊坐標下降BCD算法對塊變量{U_k},{W_k},A,{F_k}和{X_k}進行求解，

首先，通過求解如下問題更新變量{U_k}

最優的結果為

其中C_k＝H_kX_kX_kH_k+σ²I

通過求解如下問題更新變量{W_k}

最優的結果為

然后，通過求解如下問題更新變量A

最優解為

其中

通過求解如下問題更新{F_k}

最優解為

其中，表示矩陣的廣義逆，

然后，通過求解如下問題更新{X_k}

最優解為

其中μ≥0表示拉格朗日乘子，懲罰系數ρ可以通過如下公式進行更新

其中0＜η_n,c＜1，||·||_∞表示矩陣的無窮范數，乘子變量V_k可以通過如下公式進行更新

其中V_dec＝max{||X_k-ABF_k||_∞|1≤k≤K}

步驟3.3：考慮波束斜視的影響，對預編碼矩陣進行補償：

此外，由于波束斜視的影響，在所有頻段共享同一個模擬預編碼器對OFDM毫米波通信來說是一個具有挑戰性的任務；原因是移相器隨頻率變化，這意味著對于OFDM毫米波系統中基于移相器的模擬預編碼，實際的模擬預編碼器對于所有子載波并不相同；為了補償波束斜射的影響，實際的模擬預編碼是由上述算法得到模擬預編碼V，實際的數字預編碼是F_BB[k]＝F_c[k]F_k,其中F_k是上述算法得到的數預編碼，F_c[k]是補償矩陣可以通過文獻[8]中的算法得到。