[发明专利]基于改进黎曼流形优化的毫米波混合模/数波束成形方法

说明书

本发明公开了一种基于改进黎曼流形优化的毫米波混合模/数波束成形方法，包括如下步骤：将共轭梯度投影到切线空间上得到黎曼梯度；沿黎曼梯度在切线空间中搜索点，利用Wolfe‑Powell准则确定步长，将搜索点回溯到黎曼流形；满足停止条件时，通过计算得到模拟波束成形矩阵和数字波束成形矩阵。本发明在减小算法复杂度的同时，避免了搜索过程中遗漏极小点的问题，从而大大缩减了计算时间和减小了误码率，解决了混合波束成形无法达到全数字波束成形频谱效率以及算法复杂度过高的问题。

技术领域

本发明涉及一种波束成形方法，尤其涉及一种用在毫米波通信系统中，基于改进黎曼流形优化的混合模/数波束成形方法，属于毫米波通信技术领域。

背景技术

目前，第五代移动通信网络(5G)已经开始进入商用化阶段。毫米波(mmWave)通信作为5G的关键技术之一，可以解决当前移动通信系统带宽不足的问题，被普遍认为是5G中最有潜力的技术方向。

在毫米波通信系统中，借助大规模MIMO(多输入多输出)技术中的窄波束和波束成形(Beam forming)来克服大的信号衰减。为了补偿毫米波波段的严重路径损耗和穿透损耗，需要发射端和接收端使用大规模天线阵列，以获得互补的链路预算。大规模的天线阵列可以结合波束成形技术来提高信道增益，从而解决毫米波高损耗的问题。波束成形可以同时作用于发射端和接收端，通过控制天线阵列中阵元的相位，形成固定指向的波束，能够有效提高信噪比，抑制网络间干扰。然而，天线数量的大量增加导致了非平凡的实际约束。例如，传统的MIMO处理通常是在基带实现的，它能够控制信号的相位和幅值。然而，数字处理要求为每个天线单元配置专用的基带和射频硬件。遗憾的是，由于毫米波混合信号处理硬件的高成本和高功耗，目前还无法实现这种全数字结构，迫使毫米波通信系统严重依赖模拟或射频处理。

混合波束成形(HBF)结构是将一个低维基带数字波束成形矩阵和一个移相器实现的高维模拟波束成形矩阵组合，在保证足够的波束成形增益的同时可以显著减少射频(RF)链的数量。与传统的全数字波束成形相比，混合波束成形的难点除了传输和接收模拟波束成形和数字波束成形这四个波束成形变量的联合优化困难外，由于移相器的存在，模拟波束成形的恒模约束使得该问题具有高度非凸性，难以求解。在现有技术中，解决该问题的通常方法是将原问题解耦成数字和模拟波束成形的子问题，再集中求解子问题中的恒模约束。其中，一种有效且广泛应用的方法是将混合波束成形设计看成矩阵因子分解问题，最小化全数字波束成形矩阵与混合波束成形矩阵之间的欧氏距离。但是总体而言，现有的各种方法仍然存在计算复杂度高等问题，严重限制了实际应用。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种用在毫米波通信系统中，基于改进黎曼流形优化的混合模/数波束成形方法。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明的实施例，提供一种基于改进黎曼流形优化的毫米波混合模/数波束成形方法，包括如下步骤：

将共轭梯度投影到切线空间上得到黎曼梯度；沿黎曼梯度在切线空间中搜索点，利用Wolfe-Powell准则确定步长，将搜索点回溯到黎曼流形；满足停止条件时，通过计算得到模拟波束成形矩阵和数字波束成形矩阵。

其中较优地，根据如下公式计算所述共轭梯度J(FRF(i))：

其中，F_RF为模拟波束形成矩阵，，为N_s×N_s维单位矩阵，为发射功率约束，i为迭代次数,H₁＝H^HW_RFW_BB,其中W_RF为接收模拟合并矩阵,W_BB为接收数字合并矩阵。

其中较优地，根据如下公式将共轭梯度投影到切线空间上得到黎曼梯度：