[發(fā)明專(zhuān)利]一種非完美信道狀態(tài)信息條件下的混合波束成形方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210401317.0
• 申請(qǐng)日: 2022-04-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114866119B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅楊;許燕;駱春波;劉翔
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)長(zhǎng)三角研究院（湖州）
• 主分類(lèi)號(hào): H04B7/0413
• 分類(lèi)號(hào): H04B7/0413;H04B7/06;H04B7/08
• 代理公司: 成都東恒知盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 51304
• 代理人: 李英

本發(fā)明公開(kāi)了一種非完美信道狀態(tài)信息條件下的混合波束成形方法，包括如下步驟：(1)對(duì)于完美的信道矩陣，通過(guò)加入噪聲矩陣對(duì)原矩陣進(jìn)行破壞，得到非完美的信道矩陣；(2)利用自編碼器的原理，將得到的非完美信道矩陣作為輸入，完美的信道矩陣作為標(biāo)簽，通過(guò)反向傳播進(jìn)行訓(xùn)練，構(gòu)建信道特征提取網(wǎng)絡(luò)；(3)利用訓(xùn)練好的基于自編碼器的特征提取網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)編碼器的一次前向傳播進(jìn)行信道編碼，即可提取得到信道矩陣的特征矩陣；(4)將信道特征矩陣輸入到網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行混合波束成形。本發(fā)明有效利用毫米波信道矩陣的稀疏特性，利用自編碼器進(jìn)行信道特征提取，解決了非完美信道狀態(tài)信息條件下噪聲對(duì)混合波束成形頻譜效率的影響。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及波束成形技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種非完美信道狀態(tài)信息條件下的混合波束成形方法。

背景技術(shù)

第五代移動(dòng)通信技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)5G)是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)。5G的性能目標(biāo)是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接。毫米波頻段對(duì)于實(shí)現(xiàn)第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)、自動(dòng)駕駛汽車(chē)和物聯(lián)網(wǎng)至關(guān)重要。毫米波(mm-Wave)波段，正式定義為頻率范圍30-300Ghz，結(jié)合大規(guī)模陣列天線，具有提供高數(shù)據(jù)速率、提高頻譜效率和信號(hào)覆蓋的潛力。然而，由于毫米波的波長(zhǎng)隨頻率的升高而減小且傳播環(huán)境更為復(fù)雜，所以毫米波傳播具有更高的散射、嚴(yán)重的穿透損耗、更低的衍射，以及對(duì)固定發(fā)射機(jī)和接收機(jī)增益更高的路徑損耗。這些損失通過(guò)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)上大量天線提供波束形成功率增益來(lái)補(bǔ)償。一方面，毫米波的寬帶寬為5G通信提供更高的數(shù)據(jù)速率。然而另一方面，由于奈奎斯特采樣率是基帶帶寬的兩倍，毫米波接收機(jī)需要昂貴的、高速率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCs)。ADCs隨著采樣頻率的增加而增加，對(duì)于給定的架構(gòu)，在高頻時(shí)更是如此。為了減少這些成本、功耗和硬件開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)提供合理的性能，混合波束形成技術(shù)已被提出用于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)。

進(jìn)行混合波束成形矩陣設(shè)計(jì)的前提是獲得毫米波傳輸信道的狀態(tài)信息參數(shù)，但是在大規(guī)模MIMO場(chǎng)景下面臨著高維信道矩陣，獲取完美的信道狀態(tài)信息(Channel?StateInformation，CSI)變得不切實(shí)際，需要付出巨大的計(jì)算復(fù)雜度和導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)。目前對(duì)混合波束成形的研究主要有兩種思路：第一種基于理想信道條件，從理論分析角度出發(fā)，假設(shè)已經(jīng)獲得完整CSI，然后開(kāi)展后續(xù)工作，這對(duì)研究混合波束成形的理論性能以及最優(yōu)方案是有意義的；另外一種基于非完美信道條件的研究，此時(shí)通信信道由信道估計(jì)算法得出，由于估計(jì)過(guò)程存在誤差，所以實(shí)際的非完美信道矩陣通常都是伴有噪聲的。混合波束成形的效果依賴(lài)于完美的信道狀態(tài)信息，本發(fā)明將針對(duì)實(shí)際的非完美信道矩陣條件，進(jìn)行降噪處理，以獲取接近完美信道狀態(tài)信息的混合波束成形效果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明基于非完美的信道狀態(tài)信息，提出了深度學(xué)習(xí)波束成形算法，解決信道狀態(tài)信息不完善時(shí)，混合波束成形頻譜效率損失嚴(yán)重的問(wèn)題。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種結(jié)合自編碼器和ResNet-18(18層殘差網(wǎng)絡(luò))的毫米波混合波束成形方法，解決現(xiàn)有基于深度學(xué)習(xí)的毫米波混合波束成形方法嚴(yán)重依賴(lài)于完美的信道狀態(tài)信息的技術(shù)問(wèn)題，有效的實(shí)現(xiàn)非完美信道條件下混合波束成形設(shè)計(jì)。由于毫米波環(huán)境下信道矩陣具有稀疏特性，對(duì)于不完美的信道矩陣，利用自編碼器對(duì)信道矩陣進(jìn)行編碼，提取自編碼器的信道編碼，即提取信道矩陣的主要特征，然后將提取到的信道特征輸入到后續(xù)混合波束成形網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，獲取滿(mǎn)足要求的混合波束成形矩陣。混合波束成形網(wǎng)絡(luò)采用18層的深度殘差網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)ResNet-18網(wǎng)絡(luò)輸出的預(yù)測(cè)矩陣進(jìn)行約束處理，使其滿(mǎn)足模擬移相器的恒模約束和發(fā)射端的總功率約束，從而得到滿(mǎn)足約束要求的混合波束成形矩陣。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。

一種非完美信道狀態(tài)信息條件下的混合波束成形方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：對(duì)于完美的信道矩陣，通過(guò)加入噪聲矩陣對(duì)原矩陣進(jìn)行破壞，即可得到非完美的信道矩陣，為自編碼器的訓(xùn)練和測(cè)試提供數(shù)據(jù)；

步驟2：利用自編碼器的原理，將得到的非完美信道矩陣作為輸入，完美的信道矩陣作為標(biāo)簽，通過(guò)反向傳播進(jìn)行訓(xùn)練，構(gòu)建信道特征提取網(wǎng)絡(luò)；