[發(fā)明專利]面向?qū)拵Ш撩撞ㄍㄐ畔到y(tǒng)半動態(tài)子陣混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010892498.2
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN111988073B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王俊波;楊凡;張華;常傳文
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 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(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 沈廉

本發(fā)明提供了一種面向?qū)拵Ш撩撞ㄍㄐ畔到y(tǒng)半動態(tài)子陣混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。包括：提出依據(jù)信道統(tǒng)計(jì)信息對射頻鏈路分配子陣的半動態(tài)子陣(PDS)結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)存的全動態(tài)子陣(FDS)結(jié)構(gòu)相比，PDS結(jié)構(gòu)可以大大降低5G基站密集部署開銷；利用恒模約束對子陣設(shè)計(jì)問題進(jìn)行簡化，并提出基于交替最小化的子陣設(shè)計(jì)(AMD)算法進(jìn)行子陣分配；提出基于塊坐標(biāo)下降的優(yōu)化(HP)算法對寬帶毫米波多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)的混合預(yù)編碼矩陣進(jìn)行有效設(shè)計(jì)以最大化系統(tǒng)頻效。本發(fā)明面向?qū)拵Ш撩撞∕IMO系統(tǒng)，在FDS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出硬件成本更小的PDS結(jié)構(gòu)，并針對PDS結(jié)構(gòu)，提出了依據(jù)信道統(tǒng)計(jì)信息設(shè)計(jì)子陣結(jié)構(gòu)的AMD算法和依據(jù)信道瞬時信息設(shè)計(jì)系統(tǒng)混合預(yù)編碼矩陣的HP算法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及在寬帶毫米波多輸入多輸出MIMO領(lǐng)域提出的一種新的半動態(tài)子陣混合結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)的子陣分配、混合預(yù)編碼優(yōu)化算法。

背景技術(shù)

無線頻譜緊縮推動了毫米波和大規(guī)模多輸入多輸出MIMO技術(shù)在下一代蜂窩系統(tǒng)中的集成。毫米波信號在30-300GHz波段工作，因此其可以提供比當(dāng)前蜂窩系統(tǒng)更寬的帶寬。毫米波波段無線電信號的波長為收發(fā)器上配備大量的天線提供了可能性，從而可以獲得高頻譜效率。此外，大規(guī)模MIMO可以通過多路復(fù)用同時為一組用戶服務(wù)，并通過收發(fā)端預(yù)編碼技術(shù)提供的陣列增益來克服毫米波信道嚴(yán)重的路徑損耗。

然而，在毫米波和大規(guī)模MIMO系統(tǒng)應(yīng)用傳統(tǒng)的全數(shù)字FD預(yù)編碼技術(shù)是不切實(shí)際的。因?yàn)樵谶@種結(jié)構(gòu)中，每個天線都需要一個專用的射頻RF鏈，導(dǎo)致其高成本和高功耗。為了克服FD結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，學(xué)者們提出并開始廣泛研究混合結(jié)構(gòu)?；旌辖Y(jié)構(gòu)的目標(biāo)是在頻效、硬件成本和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。此外，混合結(jié)構(gòu)通過將預(yù)編碼過程分為模擬預(yù)編碼和數(shù)字預(yù)編碼兩個部分來減少RF鏈的數(shù)量。

如圖1所示，現(xiàn)有的混合結(jié)構(gòu)方案可分為兩類：全連接混合結(jié)構(gòu)和子陣連接混合結(jié)構(gòu)。在全連接混合結(jié)構(gòu)中，每個RF鏈通過移相器連接到所有天線，如圖1(a)所示。具體來說，如果RF鏈的數(shù)目是N_rf，發(fā)射天線的數(shù)目是N_t，那么移相器的數(shù)目是N_rfN_t。在子陣連接混合結(jié)構(gòu)中，每個子陣只與一個RF鏈相連接。因此，移相器的數(shù)目等于發(fā)射天線的數(shù)目，即N_t。子陣連接混合結(jié)構(gòu)可以分為兩種類型：固定子陣和全動態(tài)子陣，如圖1(b)和圖1(c)所示。在固定子陣中，與每個RF鏈連接的天線是固定的，不隨著信道的變化而變化。與固定子陣結(jié)構(gòu)不同，全動態(tài)子陣FDS結(jié)構(gòu)根據(jù)信道波動動態(tài)更新天線分配來提高系統(tǒng)傳輸性能。此外，F(xiàn)DS結(jié)構(gòu)用開關(guān)進(jìn)行天線選擇，其開關(guān)數(shù)等于發(fā)射天線的數(shù)目，即N_t。

近年來，全連接混合結(jié)構(gòu)得到了深入的研究?；诤撩撞ㄐ诺赖南∈栊?，[1]提出了低復(fù)雜度混合預(yù)編碼算法，利用改進(jìn)的正交匹配追蹤OMP最大限度地提高毫米波MIMO系統(tǒng)的頻效。此外，交替最小化算法也用來最小化FD和混合預(yù)編碼矩陣之差的Frobenius范數(shù)[2]。與上述使用啟發(fā)式方法不同，混合預(yù)編碼問題可以通過利用罰對偶分解算法直接求解并得到KKT(Karush-Kuhn-Tucker)解。然而，在全連接混合結(jié)構(gòu)中，移相器的數(shù)目隨天線數(shù)目的增加而線性增加，導(dǎo)致過高的硬件成本和功耗。

與全連接混合結(jié)構(gòu)相比，子陣連接混合結(jié)構(gòu)中的移相器數(shù)量顯著減少。因此，子陣連接混合結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是大規(guī)模MIMO無線通信系統(tǒng)的一種很有前景的候選混合結(jié)構(gòu)。[4]針對毫米波MIMO無線通信系統(tǒng)的子陣連接混合結(jié)構(gòu)，提出了一種基于連續(xù)干擾消除的混合預(yù)編碼方法。此外，針對基于多子陣混合結(jié)構(gòu)的毫米波系統(tǒng)，[5]提出了一種有效的混合預(yù)編碼算法。雖然目前大多數(shù)的研究只考慮針對發(fā)射機(jī)端為固定子陣混合結(jié)構(gòu)的窄帶毫米波通信，但是[6]考慮了基于正交頻分復(fù)用(OFDM)的寬帶毫米波MIMO無線通信系統(tǒng)中的子陣列連接結(jié)構(gòu)混合預(yù)編碼技術(shù)。此外，為了提高系統(tǒng)頻效，[6]還提出了FDS混合結(jié)構(gòu)，并提出了動態(tài)分配天線分的算法，但該算法屬于貪婪算法的一種。因此，[7]提出了一種利用模擬預(yù)編碼矩陣的動態(tài)子陣列分配(DSD)算法來解決這一問題。然而，由于存在高維復(fù)矩陣的計(jì)算，DSD算法的計(jì)算復(fù)雜度較高。