[發(fā)明專利]一種基于透鏡陣列的波束選擇矩陣設(shè)計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011523683.0
• 申請(qǐng)日: 2020-12-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112261728A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭榮斌;余顯斌;趙志峰;王金鵬;劉善赟;李順斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 之江實(shí)驗(yàn)室
• 主分類號(hào): H04W72/04
• 分類號(hào): H04W72/04;H04B7/0413
• 代理公司: 北京志霖恒遠(yuǎn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11435
• 代理人: 奚麗萍

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于透鏡陣列的波束選擇矩陣設(shè)計(jì)方法，屬于優(yōu)化算法設(shè)計(jì)及無(wú)線資源分配領(lǐng)域。該方法包括：波束選擇矩陣設(shè)計(jì)問(wèn)題建立，根據(jù)信道狀態(tài)信息采用逐次比較算法設(shè)計(jì)波束選擇矩陣F，系統(tǒng)參數(shù)初始化，設(shè)計(jì)優(yōu)化算法求解最優(yōu)預(yù)編碼矩陣P，執(zhí)行資源分配。本發(fā)明得到的優(yōu)化算法設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)的波束選擇算法，能得到更高的系統(tǒng)回報(bào)值，即更高的系統(tǒng)傳輸速率和更好的用戶體驗(yàn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源分配以及優(yōu)化算法設(shè)計(jì)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于透鏡陣列的波束選擇矩陣設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速增長(zhǎng)，使得無(wú)線頻譜資源越來(lái)越緊張。毫米波/太赫茲等超高頻段因此獲得了廣泛的關(guān)注。毫米波/太赫茲頻段具有極大的帶寬資源，但由于在空氣中衰減比較嚴(yán)重，系統(tǒng)需要應(yīng)用大規(guī)模多天線陣列來(lái)增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。而毫米波/太赫茲頻段本身波長(zhǎng)很短，又大大方便了天線陣列設(shè)計(jì)的小型化，因此這兩者相輔相成。在大規(guī)模陣列系統(tǒng)中，利用有效的預(yù)編碼/波束成形技術(shù)，可以帶來(lái)巨大的陣列增益和干擾抑制增益。

然而，在傳統(tǒng)的大規(guī)模陣列系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，基站采用的是全數(shù)字鏈路的方案，這意味著每一個(gè)天線陣元都需要一條對(duì)應(yīng)的射頻鏈路（包括數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，功放，混頻器等），從而極大地增加了基站的硬件成本和能耗。近年來(lái)有研究提出了基于透鏡天線陣列的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用透鏡天線陣列具有基于信號(hào)發(fā)射角/到達(dá)角的能量聚焦特性，通過(guò)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用開(kāi)關(guān)陣列網(wǎng)絡(luò)來(lái)替代移相器，有效地降低系統(tǒng)的硬件成本和能耗。由于透鏡陣列具有的基于角度的能量聚焦特性，它能夠?qū)鹘y(tǒng)的空域MIMO信道等效地轉(zhuǎn)化為波束域的信道，因此，原來(lái)混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)中的波束成形向量設(shè)計(jì)可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)波束選擇問(wèn)題。然而，當(dāng)前的方法都是根據(jù)最大幅度準(zhǔn)則來(lái)選取波束，從而盡可能多地在波束中包含用戶數(shù)據(jù)流的能量。這種方法原理簡(jiǎn)單，但是與兩個(gè)缺點(diǎn)：1）只考慮了使每個(gè)用戶接收到的信號(hào)能量最大，未考慮用戶間干擾；2）不同射頻鏈路可能會(huì)選中同一個(gè)波束，造成資源的浪費(fèi)。

本發(fā)明提出了一種基于干擾消除的波束選擇方法，在選擇最大幅度波束的同時(shí)，也考慮了不同用戶在同一波束中造成的相互干擾。并通過(guò)加權(quán)最小均方誤差算法，求解了最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣，解決了當(dāng)前方法的不足。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于逐次比較波束選擇的優(yōu)化算法。相較于傳統(tǒng)的資源分配方法，本發(fā)明提出的方法能夠在快速選取波束的同時(shí)，求解出最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣，因此更加的高效靈活，可大幅提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于透鏡陣列的波束選擇矩陣設(shè)計(jì)方法，其特征在于：該方法包含以下步驟：

（1）波束選擇矩陣聯(lián)合設(shè)計(jì)問(wèn)題建立及轉(zhuǎn)化；

（1.1）考慮系統(tǒng)性能，即系統(tǒng)用戶可達(dá)速率之和，根據(jù)系統(tǒng)性能最優(yōu)化原則，結(jié)合透鏡陣列的物理結(jié)構(gòu)，設(shè)立波束選擇矩陣設(shè)計(jì)的優(yōu)化問(wèn)題；

（1.2）根據(jù)加權(quán)最小均方誤差等價(jià)轉(zhuǎn)化定理，將上述優(yōu)化問(wèn)題等價(jià)轉(zhuǎn)化為一個(gè)新優(yōu)化問(wèn)題；

（2）根據(jù)信道狀態(tài)信息采用逐次比較算法設(shè)計(jì)波束選擇矩陣F；

（3）系統(tǒng)參數(shù)初始化；

（4）根據(jù)信道狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)加權(quán)最小均方誤差算法優(yōu)化最優(yōu)預(yù)編碼矩陣P，在每次循環(huán)中，所設(shè)計(jì)的算法通過(guò)塊坐標(biāo)下降算法對(duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，基于輪換尋優(yōu)思想，將待求解優(yōu)化變量按照解耦合的原則進(jìn)行分組，針對(duì)每組變量，固定其它組變量進(jìn)行求解，直到優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)值收斂。

作為優(yōu)選，所述子步驟（1.1）中的優(yōu)化問(wèn)題包含目標(biāo)函數(shù)，變量建模和約束假設(shè)。

作為優(yōu)選，所述子步驟（1.2）中的新優(yōu)化問(wèn)題中的目標(biāo)函數(shù)為凸函數(shù)。

作為優(yōu)選，所述步驟（2）中包含以下子步驟：