[发明专利]针对多天线系统的发送接收优化设计方法

说明书

针对多天线系统的发送接收优化设计方法。假定接收端和发送端都已知信道信息的情况下，本发明联合设计了传输信号的协方差矩阵Q和模拟线性接收机的接收矩阵W，采用梯度下降算法来解决传输信号和模拟线性接收机的优化问题，从而改善系统最大吞吐量，且不再依赖矩阵Q、W特有的结构要求。优点：所提出的低比特量化多天线系统模型可应用于毫米波通信系统中，在保证系统的低功耗的条件下，优化系统的最大吞吐量，以进一步提高系统的性能。另外，所提出的最大吞吐量优化方法中采用的梯度下降算法，对传输信号的协方差矩阵和模拟线性接收机的接收矩阵的结构没有特殊要求，从而促使局部最优结果的产生，且算法迭代次数少，收敛快，突显其实际应用价值。

技术领域

本发明设计无线通信和信道优化系统，特别涉及一种适用于毫米波低比特量化的无线通信系统。

背景技术

近些年来对无线通信频谱资源的需要越来越高，为了满足这一需求，毫米波、多天线等技术已经成为未来无线通信的核心技术。毫米波的高频谱带宽可以很好的提升整个通信系统的传输速率。但同时，毫米波的应用给通信系统的硬件设计引入一些新的挑战。其中一个主要问题就是由高采样率和高精度的数模转化器引起的高功率损耗问题，接受机的功率损耗很大程度上依赖于数模转化器的精度，精度越高，无线通信的总功率损耗就越高，同时硬件成本也不可避免地随之提高，而且这一缺点在大规模使用天线时尤为显著。

由此可见，无论是对于高速大带宽通信系统还是大规模MIMO系统来说，从降低系统总功耗消耗及部署成本的角度，低比特量化都是有效实现系统高能量效率的直接途径之一。同时，低比特量化会带来一定的系统性能损失，特别是对大规模的多天线系统而言，包括低比特量化下的同步问题、增益控制问题、信道估计问题、接收机设计和低比特量化对通信系统传输速率的影响。

毫米波大规模多天线通信能够拓展利用新频谱资源和深度挖掘空间维度无线资源，因此，大幅提升无线传输速率，是未来无线通信系统最具潜力的研究方向之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决低比特量化下，毫米波多天线通信系统的最大吞吐量的优化问题。

假定接收端和发送端都已知信道信息的情况下，本发明联合设计了传输信号的协方差矩阵Q和模拟线性接收机的接收矩阵W，采用梯度下降算法来解决传输信号和模拟线性接收机的优化问题，从而改善系统最大吞吐量，且不再依赖矩阵Q、W特有的结构要求。本发明的优点在于，所提出的低比特量化多天线系统模型可应用于毫米波通信系统中，在保证系统的低功耗的条件下，优化系统的最大吞吐量，以进一步提高系统的性能。另外，所提出的最大吞吐量优化方法中采用的梯度下降算法，对传输信号的协方差矩阵Q和模拟线性接收机的接收矩阵W的结构没有特殊要求，从而促使局部最优结果的产生，且算法迭代次数少，收敛快，更加突显其实际应用价值。适用于毫米波通信系统，具有更广的信道带宽资源，同时低比特量化有效解决了毫米波通信中出现的高功率损耗问题。

需要保护的技术方案

本发明方法实现过程包括：

一、将信道模型的传输速率表示为这里H为信道矩阵，ρ_q为量化误差系数，Q为发送信号的协方差矩阵，且其满足 Tr(Q)≤P_t，这里P_t为接收端最大发射功率。W为接收端线性处理矩阵，表示接收端经过线性处理后的噪声的协方差矩阵，且其可表示为σ²为接收端加性噪声方差,R_yy表示接收未量化信号的自相关矩阵，其可表示为R_yy＝σ²WW^H+WHQH^HW^H。

二、根据上述方程，构建对发送信号协方差矩阵Q和接收线性矩阵W的联合优化问题可表示为：

三、假定接收端和发送端都已知信道信息，联合优化设计传输信号的协方差矩阵Q和模拟线性接收器的接收矩阵W，改善系统的吞吐量。