[发明专利]一种基于透镜阵列的波束选择矩阵设计方法

说明书

本发明公开了一种基于透镜阵列的波束选择矩阵设计方法，属于优化算法设计及无线资源分配领域。该方法包括：波束选择矩阵设计问题建立，根据信道状态信息采用逐次比较算法设计波束选择矩阵F，系统参数初始化，设计优化算法求解最优预编码矩阵P，执行资源分配。本发明得到的优化算法设计相较于传统的波束选择算法，能得到更高的系统回报值，即更高的系统传输速率和更好的用户体验。

技术领域

本发明涉及无线网络资源分配以及优化算法设计领域，更具体地，涉及一种基于透镜阵列的波束选择矩阵设计方法。

背景技术

近年来无线数据业务迅速增长，使得无线频谱资源越来越紧张。毫米波/太赫兹等超高频段因此获得了广泛的关注。毫米波/太赫兹频段具有极大的带宽资源，但由于在空气中衰减比较严重，系统需要应用大规模多天线阵列来增强信号强度。而毫米波/太赫兹频段本身波长很短，又大大方便了天线阵列设计的小型化，因此这两者相辅相成。在大规模阵列系统中，利用有效的预编码/波束成形技术，可以带来巨大的阵列增益和干扰抑制增益。

然而，在传统的大规模阵列系统设计中，基站采用的是全数字链路的方案，这意味着每一个天线阵元都需要一条对应的射频链路（包括数/模转换器，功放，混频器等），从而极大地增加了基站的硬件成本和能耗。近年来有研究提出了基于透镜天线阵列的系统设计，利用透镜天线阵列具有基于信号发射角/到达角的能量聚焦特性，通过在系统设计中使用开关阵列网络来替代移相器，有效地降低系统的硬件成本和能耗。由于透镜阵列具有的基于角度的能量聚焦特性，它能够将传统的空域MIMO信道等效地转化为波束域的信道，因此，原来混合预编码结构中的波束成形向量设计可以转化为一个波束选择问题。然而，当前的方法都是根据最大幅度准则来选取波束，从而尽可能多地在波束中包含用户数据流的能量。这种方法原理简单，但是与两个缺点：1）只考虑了使每个用户接收到的信号能量最大，未考虑用户间干扰；2）不同射频链路可能会选中同一个波束，造成资源的浪费。

本发明提出了一种基于干扰消除的波束选择方法，在选择最大幅度波束的同时，也考虑了不同用户在同一波束中造成的相互干扰。并通过加权最小均方误差算法，求解了最优的预编码矩阵，解决了当前方法的不足。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于逐次比较波束选择的优化算法。相较于传统的资源分配方法，本发明提出的方法能够在快速选取波束的同时，求解出最优的预编码矩阵，因此更加的高效灵活，可大幅提高无线网络性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于透镜阵列的波束选择矩阵设计方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：

（1）波束选择矩阵联合设计问题建立及转化；

（1.1）考虑系统性能，即系统用户可达速率之和，根据系统性能最优化原则，结合透镜阵列的物理结构，设立波束选择矩阵设计的优化问题；

（1.2）根据加权最小均方误差等价转化定理，将上述优化问题等价转化为一个新优化问题；

（2）根据信道状态信息采用逐次比较算法设计波束选择矩阵F；

（3）系统参数初始化；

（4）根据信道状态信息，设计加权最小均方误差算法优化最优预编码矩阵P，在每次循环中，所设计的算法通过块坐标下降算法对优化问题进行求解，基于轮换寻优思想，将待求解优化变量按照解耦合的原则进行分组，针对每组变量，固定其它组变量进行求解，直到优化问题的目标函数值收敛。

作为优选，所述子步骤（1.1）中的优化问题包含目标函数，变量建模和约束假设。

作为优选，所述子步骤（1.2）中的新优化问题中的目标函数为凸函数。

作为优选，所述步骤（2）中包含以下子步骤：