[发明专利]基于部分连接的大规模多输入多输出混合波束赋形算法

说明书

本发明公开了一种基于部分连接的大规模多输入多输出混合波束赋形算法，给定部分连接架构系统的最优无约束预编码器、初始模拟预编码矩阵和收敛公差，并根据无约束预编码器和初始模拟预编码矩阵计算出初始数字预编码矩阵，进而计算出初始误差；当初始误差小于或等于收敛公差时，将初始模拟预编码矩阵和初始数字预编码矩阵作为部分连接架构系统的最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵；当初始误差大于收敛公差时，以最小化误差为目标进行迭代计算后最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵；部分连接架构系统根据最优模拟预编码矩阵和最优数字预编码矩阵生成并发出混合波束；本发明提高了算法的性能，使其接近全数字波束赋形系统的性能。

【技术领域】

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种基于部分连接的大规模多输入多输出混合波束赋形算法。

【背景技术】

Massive MIMO技术能明显提升5G无线通信系统的性能和容量。Massive MIMO系统的收发天线数目很大，在系统中使用数字波束赋形技术，会导致系统实现成本和能耗很高，为Massive MIMO波束赋形技术的应用带来了阻碍。

为了克服这个问题，出现了Massive MIMO混合波束赋形方案(即部分连接架构)，相比于数字波束赋形技术，使用混合波束赋形技术会减少系统实现成本和能耗，即在部分连接架构中，每一个射频链只与部分天线相连接，虽然系统牺牲了部分波束赋形的增益，但是大大降低了硬件的实现复杂度，但是，在部分连接架构中，基于编码器设计的一些算法，性能损失比较严重。

如图1所示，是部分连接结构下Massive MIMO系统下行链路通信传输模型。在这个系统中，发射端配备N_t根天线，接收端配备单根天线，从发射端发送N_s条数据流到接收端。为了实现多数据流传输，发射端配备条射频链，每条射频链上连接L_t根天线，接收端配备单条射频链。

假设阵列天线模型是ULA，天线的间距为波长的一半。定义维度矢量f_i，并且维度矢量f_i中每个元素满足那么发射端整个的模拟预编码矩阵为

为了简化下面的描述，定义索引集Ω₁，由F_RF零元素的位置组成，则当(i,j)∈Ω₁时，其中，i和j分别表示模拟预编码矩阵的行数和列数，表示模拟预编码矩阵中第i行第j列的元素，在发射端结构中，数字预编码矩阵F_BB的维度为发射端的总功率约束通过归一化F_BB实现，满足||F_RFF_BB||＝N_s。

考虑一个窄带块平坦衰落信道，其接收信号可以表示为y＝HF_RFF_BBs+n，y是维度为N_r×1的接收矢量，H是维度为N_r×N_t的信道矩阵，N_r表示接收端的天线数量，s是发送符号矢量，满足数学期表示维度为N_s×N_s的单位向量，n是噪声矢量，服从独立同分布的高斯分布，其均值为0，方差为σ²。

在上述的部分连接架构中，由于模拟域预编码矩阵是恒模的，所以优化问题是非凸的，因此，求解发射端的优化问题非常复杂，需要消耗大量的时间才能解出优化问题的全局最优的预编码矩阵，这就导致增大了现有的部分连接架构系统的能量损耗，且大大提高网络延迟。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种基于部分连接的大规模多输入多输出混合波束赋形算法，在成本和能耗控制的前提下，提高算法的性能，使其接近全数字波束赋形系统的性能，降低了部分连接架构系统的能量损耗。

本发明采用以下技术方案：一种基于部分连接的大规模多输入多输出混合波束赋形算法，包括以下步骤：