[发明专利]一种低复杂度的混合波束赋形迭代设计方法

说明书

本发明公开了一种低复杂度混合波束赋形迭代设计方法，包括以下步骤：1)模拟波束赋形设计：第一步，从DFT网络中随机选取矢量，初始化模拟波束赋形矩阵；第二步，固定模拟波束赋形矩阵，接收端估计等效信道，然后利用其恢复接收端等效信道；第三步，固定模拟预编码矩阵，接收端利用接收端等效信道更新模拟接收矩阵，更新反馈等效信道；第四步，发射端利用等效信道恢复发射端等效信道；第五步，固定模拟接收矩阵，利用发射端等效信道更新模拟预编码矩阵；重复第二步至第五步，直至算法收敛；2)数字波束赋形设计：第一步，根据确定的模拟波束赋形矩阵，计算等效信道；第二步，利用奇异值分解方法计算数字波束赋形矩阵，并利用灌水法进行功率分配。

技术领域

本发明属于无线通信系统中波束赋形(包括预编码和合并接收)方案的设计领域，具体涉及一种在大规模MIMO中的低复杂度的混合波束赋形迭代设计方法。

背景技术

大规模MIMO技术通过在基站端配备数目趋于无穷大的天线阵列，可使系统的频谱效率和可靠性得到极大的提升。为了充分利用大规MIMO的性能增益，有效的预编码技术显得尤为重要。传统预编码需要每根天线与一条特定的射频链路(RF)相连，考虑到射频成本高、能耗大，而大规模MIMO系统中天线数目往往达到成百上千根，因此不可能为每根天线配备特定的射频链路，这导致传统的预编码方案不再适用。那么研究可以利用少量RF驱动大规模天线阵列以挖掘大规模MIMO的增益的预编码方案就变得非常的有意义。混合预编码可以利用移相器将每条射频与所有的天线或者一个天线子集相连接，有效地解决了射频与天线数目不匹配的问题，又可以在发送相同数据流数时获得与全数字预编码(需要与天线相同数量的射频)相近的性能，因此成为大规模MIMO系统重要的预编码备选方案。混合预编码，即在射频端利用低成本的移相器控制发射天线上信号的相位，实现模拟预编码，既降低了硬件成本，又减少系统所需的射频数量；在基带处利用等效低维度的信道状态信息(CSI)控制信号的幅度和相位，实现数字预编码，进一步提高信号处理的精度。预编码需要基站已知准确信道状态信息或者部分信道状态信息才能获取较优的性能，然而在大规模MIMO系统中信道矩阵维度很大，受相干时间的限制，不能够发送足够的导频准确估计所有天线上的信道状态信息。此外，实际的大规模MIMO系统配备的射频数量要远远少于天线数目，这使得基站想要获取所有天线上的信道状态信息变得更加困难。这是因为在混合波束赋形(混合预编码/混合合并接收)架构中，信道状态信息与模拟预编码和模拟合并接收矩阵纠缠在一起(本发明将之称为等效信道)，使得准确的原始信道状态信息获取更加困难。因此有必要研究不完善信道状态信息下的混合预编码方案的设计。目前，针对不完善信道状态信息下的混合预编码设计主要有两类思想：第一类，利用信道统计信息设计模拟预编码，利用等效低维度的信道状态信息设计数字预编码矩阵；第二类：基于波束码本搜索设计模拟预编码与接收合并矩阵，然后利用等效低维度的信道状态信息设计数字预编码矩阵。二者的不同主要体现在模拟预编码和接收矩阵的设计。第一类方案需要准确的用户正交分组，保持不同用户组的信道相关矩阵的特征矢量相互正交，这使得该类算法每次服务的用户数有限。第二类通过波束搜索从码本中选取模拟波束赋形矩阵，可以避免准确信道估计，但只在单径信道场景下可以取得很好的性能。

在当前针对毫米波大规模MIMO的混合波束赋形设计的研究大多是基于收发两端可以准确获知信道状态信息的，然而这在实际系统是不现实的。一方面信道矩阵维度很大，受相干时间的限制，不能够发送足够的导频准确估计所有天线上的信道状态信息。另一方面，信道估计是在基带处理的，而在毫米波大规模MIMO系统采用混合波束赋形(混合预编码/混合合并接收)架构，因此基带处估计得到是信道状态信息与模拟预编码和模拟合并接收矩阵纠缠在一起的等效信道。获取准确的原始信道状态信息变得更加困难。

综上所述，研究低开销低复杂度的混合波束赋形方案是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低复杂度的混合波束赋形迭代设计方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现。