[发明专利]一种基于行向量优化的混合预编码方法

说明书

本专利提出了一种基于行向量优化的混合波束赋形方法。该算法包括以下步骤：步骤一:建立毫米波MIMO系统的混合预编码问题模型；步骤二:根据信道信息计算最优的预编码矩阵并随机生成模拟预编码矩阵；步骤三:发射端在交替优化的框架下，对数字预编码矩阵进行求解；步骤四:发射端在交替优化的框架下，将模拟预编码矩阵的按行向量进行分解，利用流形优化方法进行求解，并将最终结果组合成完整的模拟预编码矩阵；步骤五:发射端根据得到的预编码矩阵进行混合预编码。本专利提出的方法可用于对多种情况下的毫米波MIMO系统中的混合预编码问题进行求解。所提算法能够以较低的复杂度实现较高的频谱效率，具有一定的创新性和实用性。

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于行向量优化的混合预编码方法。

背景技术

随着通信技术的不断进步，无线网络的容量大幅增加，用以满足这些年来高数据速率应用的需求。为了提高频谱效率，一些物理层技术，如多输入多输出(MIMO)，信道编码和干扰对齐已被应用于现有的通信系统。此外，即将投入使用的5G网络也将使用超密集部署和无线接入整合技术(RAT)。但是，即将耗尽的频谱资源限制了网络容量的进一步提高。因此，为未来的5G无线通信系统开发新的空闲频段成为了一项至关重要的任务。

作为5G网络中有广阔前景的关键技术之一，毫米波通信拥有丰富的频谱资源，并能够实现千兆每秒的数据传输速率。尽管高频特性使毫米波传播受到较大的路径损耗和降雨衰落，但短波长的特性使得人们可以在相同面积的区域封装更多的天线元件。大规模天线阵列可以提供较高的波束成形增益来克服路径损耗，并建立具有较高信噪比(SNR)的链路。对于传统的MIMO系统，通常是在数字域中执行预编码以提供波束成形增益并消除不同数据流之间的干扰。在数字域，调整输入信号的幅度和相位是比较容易的。对于纯数字预编码，需要为每个天线元件配备专用的基带和射频(RF)器件。然而，对于大规模天线阵列来说，实现纯数字预编码所需的硬件成本和能耗将会非常高。因此，很难将纯数字预编码应用于毫米波通信系统。所以，人们引入了一种能够用于毫米波通信系统的混合预编码结构。对于混合预编码，预编码操作由数字预编码器和模拟预编码器联合执行。根据射频链路到天线阵元的映射策略，模拟预编码器可以分为两种典型的连接结构：全部连接结构(FS)和部分连接结构(PS)。

对现有混合预编码研究成果检索发现，诸多相关文献均指出混合预编码是毫米波通信的关键技术之一。其中，对于全部连接结构，Omar El Ayach等在2014年IEEETransaction on Wireless Communications上发表的Spatially sparse precoding inmillimeter wave MIMO systems中混合预编码问题被构建为最小化混合预编码矩阵和最优数字预编码矩阵之间的欧几里得距离的问题，并提出了基于阵列响应向量的正交匹配追踪算法。Xianghao Yu等在2016年的IEEE Journal of Selected Topics in SignalProcessing上发表的Alternating minimization algorithms for hybrid precoding inmillimeter wave MIMO systems中采用交替最小化(AltMin)的方法来解决混合预编码问题。文中提出了两个交替最小化算法用于全部连接结构。其中一个具有卓越的性能和较高的复杂度，另一个可以以较低的复杂度实现可接受的性能。此外，文中还提出了基于半定规划优化的交替最小化算法用于部分连接的结构。Xinyu Gao等在2016年IEEE Journal onSelected Areas in Communications上发表的Energy-Efficient Hybrid Analog andDigital Precoding for MmWave MIMO Systems With Large Antenna Arrays中数字预编码矩阵被定义为对角矩阵，并且仅用于功率分配。基于这个额外的约束，文中提出了基于连续干扰消除(SIC)的混合预编码算法。

发明内容