[發明專利]基于QGA-OMP算法的毫米波大規模MIMO混合預編碼方法及系統

有效

• 申請號: 202110326125.3
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113078931B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 許耀華;徐惠明;王翊;蔣芳;劉瑜;柏娜;宛新文
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: H04B7/0456
• 分類號: H04B7/0456
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 林凡燕

本發明提供一種基于QGA?OMP算法的毫米波大規模MIMO混合預編碼方法及系統，在傳統的OMP算法用于毫米波大規模MIMO混合預編碼的研究基礎上，利用QGA算法模擬自然進化過程、快速搜索全局最優值的特點，搜索與殘差內積相乘最大的陣列響應矢量，獲得全局最優解的陣列響應向量，從而在發射端獲得最優的基帶預編碼器和射頻預編碼器，消除了對已知候選矩陣的需求、降低了計算的復雜度；同時，QGA算法獲得的全局最優解的陣列響應向量，使本發明的混合預編碼性能接近于最優的全數字預編碼，極大的提高了系統的頻譜效益。

技術領域

本發明涉及一種無線通信技術領域，特別是涉及一種基于QGA-OMP算法的毫米波大規模MIMO混合預編碼方法及系統。

背景技術

第五代通信(5G)能為用戶提供更高的數據速率和多種物聯網設備的連接，其相比于4G頻譜效率提升5～15倍，能效和成本效率提升近100倍，已成為信息發展的主要方向，將滲透到未來社會的各個領域。

現有技術中，大規模多輸入多輸出(MIMO)技術和毫米波(mmWave)通信技術作為5G的關鍵技術，采用了混合預編碼技術，即預編碼處理分為基帶預編碼(數字預編碼)處理和射頻預編碼(模擬預編碼)處理，該方案僅使用少量的射頻鏈路，解決了傳統數字預編碼成本高、功耗大的問題，在5G的發展中發揮了重要作用，其工作原理說明如下：

請參閱圖1，圖1所示為單用戶毫米波大規模MIMO系統共享陣列體系架構，其中發送和接收數據流均為N_s，發射天線數為N_t，接收天線數為N_r，發射端射頻鏈路數為接收端射頻鏈路數為信號在發射端經過基帶預編碼器和射頻預編碼器的兩階段預編碼處理后，發射到毫米波信道H中，然后在接收端再經過射頻組合器和基帶組合器的兩階段預編碼處理，生成接收信號輸出。

為了解決毫米波大規模MIMO系統中的預編碼問題，眾多混合預編碼方案陸續被提出，文獻ELAYACH O,RAJAGOPAL S,ABU-SURRA S,et al.Spatially sparse precoding inmillimeter wave MIMO systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2014,13(3)：1499-1513中，提出了一種基于OMP(orthogonal matching pursuit，正交匹配追蹤)算法的混合預編碼方法，該算法的主要設計思想就是分別對系統的發射端矩陣和接收端矩陣進行設計，將混合預編碼設計等效為多元稀疏信號恢復的問題，取得了較好的性能，但該方法存在需要候選矩陣的問題，即需要從候選矢量集合中選擇與殘差矩陣相關性最大的射頻預編碼矢量，這導致計算復雜度相對較高，當天線數目急劇增加時，無法滿足通信系統高鏈路質量和高數據速率的目標的場景的需求，同時侯選矢量集合的設計也會增加額外的開銷，進而增加了成本；此外，傳統的OMP算法利用候選矩陣選擇相關度最高的列，但是各列的角度之間存在一定的間隔，因此所選的陣列響應向量不一定是全局最優解，從而導致頻譜效率較低。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于QGA-OMP算法的毫米波大規模MIMO混合預編碼方法及系統，用于解決現有技術中的OMP算法在進行混合預編碼處理時的計算復雜度較高，且所選的陣列響應向量不一定是全局最優解的問題。

本發明的第一方面提供一種基于QGA-OMP算法的毫米波大規模MIMO混合預編碼方法，應用于發射端，所述發射端用于接收信號并對其進行預編碼處理，再將處理后的所述信號發射到信道中；其特征在于，包括：

步驟一：定義射頻預編碼器為空矩陣，同時將最優無約束預編碼器賦值給殘差矩陣；

步驟二：根據所述殘差矩陣得到相關矩陣；

步驟三：利用量子遺傳算法得到與所述殘差矩陣相匹配的最佳索引，根據所述最佳索引得到最優陣列響應向量；