[发明专利]一种毫米波通信中基于迭代最小的预编码方法

权利要求书

1.一种毫米波通信中基于迭代最小的预编码方法，其特征在于：将信道采用DFT分解方式进行分解，构造出最优的混合预编码，将混合预编码的设计转换为矩阵的分解问题，通过对数字预编码实施正交约束，根据数字预编码的正交特性，将模拟预编码的相位提取出来，通过多次迭代，从而形成最终的混合预编码方案，包括以下步骤：

步骤1，毫米波通信系统模型如下：

将预编码器分为基带预编码器和RF预编码器，在发射机处有N_t个天线，在接收机处有N_r个天线；N_s个数据流在发射机处采用个RF链将其发送到接收机，并且满足接收机也是如此，即：毫米波通信系统模型使得发射机能使用的基带预编码器F_BB，随后是的RF预编码器F_RF；离散时间发射信号X表示为X＝F_RFF_BBS，其中S是N_s×1的符号向量，并且满足发射机的总功率约束通过归一化F_BB，使得假设H是窄带块衰落传播信道矩阵，并且发射机和接收机处都具有完美的信道状态信息CSI，其中，CSI通过在接收机处的信道估计来获得，并且在发射机处进一步与有效反馈技术共享；其发射机产生的接收信号为：

其中，为发射机产生的接收信号，H是N_r×N_t的信道矩阵，且满足ρ表示平均接收功率，n是服从的独立同分布噪声向量，表示方差；

在接收机处，采用RF组合器W_RF和基带组合器W_BB从接收信号恢复出发送的数据流S；经过接收机处理过的信号为；

其中，y为接收机处理过的信号，W_RF是的RF组合矩阵，W_BB是的基带组合矩阵；与RF预编码类似，W_RF也采用移相器来实现，当发射符号遵循高斯分布时，可实现的频谱效率可以表示为：

其中，R为频谱效率，为N_s维的单位阵，为矩阵A对的伪逆矩阵，A^*为矩阵A的共轭矩阵；

物理信道模型的毫米波信道矩阵：

其中，H为窄带块衰落传播信道矩阵，γ为归一化因子N_cl和N_ray分别表示簇的数量和每个簇中射线的数量，β_il是第i个簇中第l个射线的复增益，假设β_il是服从的独立同分布高斯随机变量，并且和分别表示接收和发射阵列响应向量，表示到达的方位角AoAs，表示离开的方位角AoAs，表示到达的仰角AoDs，表示离开的仰角AoDs；

当发射端和接收端采用均匀线性阵列ULA时，

α(φ)表示阵列响应，N表示天线数，d表示天线间隔，λ表示信号波长，α(φ)表示阵列响应向量，φ表示角度，N表示天线数，j表示虚数；

通过最大化毫米波信道上的互信息来设计F_RFF_BB，采用解耦设计，预编码器的设计问题表示为：

其中，是可行的RF预编码器的组合，也就是具有恒模约束的矩阵集合，F_BB为的基带预编码器，I为单位矩阵；

由于H_v酉等价于信道H，因此式子(7)重写为：

将信道H_v进行分解，定义其中H_p是对角矩阵，使用H_v的信道分解式子(8)被重写为

定义矩阵∑和矩阵V为两个部分，分别为：

V＝[V₁ V₂] (10)其中，∑₁是一个N_s×N_s的矩阵，V₁是一个N_t×N_s；最优的无约束的预编码器由F_opt＝V₁给出；预编码器的设计问题重写为：

min||F_opt-F_RFF_BB||_F (11)

步骤2，A.数字基带预编码结构

将数字预编码矩阵的列相互正交，即，其中，F_DD是和F_BB有相同维数的单位酉矩阵，F_DD为和F_BB有着相同维数的单位酉矩阵，F_BB为数字基带预编码矩阵，α为系数，为N_s维的单位矩阵，

B.混和预编码设计

将式子(12)代入式子(11)中，目标函数进一步重写为

当且仅当时，目标函数(13)有最小值有如下表达式：

其中，的SVD为当且仅当时取等，目标函数的最小值的上限为对上限进行变换，得到：

采用求目标函数的上限即求式子(15)的最小值，混和预编码的设计问题被重写为：

问题(16)表示我们的设计目标变成了寻找单位预编码矩阵F_DD，然后根据式子(12)就得到相应的预编码矩阵F_BB；

由于F_RF去除了具有F_BB的乘积形式，所以有如下公式：因此，F_RF的相位由等效的预编码器来提取；

对于数字预编码器的设计，首先考虑F_RF是固定的，所以优化问题变成了

由式子(18)可知只有一个优化变量F_DD，因此它等效于

根据双重规范的定义可知，我们有：

只有当F_DDmV₁U^*时等式成立，并且是的SVD，S是一个N_s维的对角矩阵，它的元素分别是前N_s个非零奇异值，只有当F_DD＝V₁U^*时等式成立；又因为反复迭代，直到满足停止触发条件。

2.根据权利要求1所述毫米波通信中基于迭代最小的预编码方法，其特征在于：利用有限维的空间信号来表示线性虚拟信道，利用固定的虚拟方向的空间波束，信道能被重写为：

其中，U_r和U_t是由固定的虚拟角度定义的酉离散傅里叶变换矩阵，他们的列是相互正交的矢量向量

H_v是N_r×N_t的虚拟信道表示，H_v是信道H的酉等价信道，它能捕获所有的信道信息。