[发明专利]离散透镜天线阵列辅助的多用户大规模MIMO优化方法

说明书

本发明提出一种离散透镜天线阵列辅助的多用户大规模MIMO优化方法。本发明针对实际系统中毫米波通信的特点，同时考虑了基于正交频分复用的下行宽带传输以及用户侧的混合模数结构，将下行频谱效率最大化问题建模为系统的波束选择矩阵、用户侧的滤波矩阵以及基站侧的数字域预编码矩阵的联合优化问题，在设计具体传输方案时兼顾考虑宽带系统的波束选择网络的频率独立性以及用户侧滤波器的影响。本发明提出一种基于惩罚对偶双分解以及块坐标下降的方法对系统的波束选择矩阵、用户侧的滤波矩阵以及基站侧的数字域预编码矩阵进行联合优化，在有效改进系统下行频谱效率的同时能够显著降低优化问题求解和物理层实现的复杂度。本发明讨论的下行传输模型具有较强的统一性，因此所提出的传输方案具有普适性，可应用于许多简化的通信场景。

技术领域

本发明涉及无线通信物理层中的频谱效率优化问题，特别涉及一种离散透镜天线阵列辅助的多用户大规模MIMO优化方法。

背景技术

由于具有更大的信号带宽以及更高的阵列增益，毫米波大规模天线(millimeter-wave massive multiple-input multiple-output,mmWave M-MIMO)技术被视为未来无线通信系统中的一项重要技术。然而，在实际通信系统中部署毫米波大规模天线阵列极具挑战性。这一挑战的主要原因在于大规模天线阵列的每条天线需要与对应的射频链路相连以最大化系统传输速率。射频链路中包括功率放大器、数模转换器以及模数转换器等结构，造价昂贵且功耗较高。为毫米波大规模天线阵列的每条天线配置射频链路将导致极高的硬件成本以及功率损耗，这给毫米波大规模天线阵列的部署带来了极大的挑战。

为解决上述问题，近年来，工业界提出了以硬件开销较低的离散透镜天线阵列(discrete lens antenna array,DLAA)来实现mmWave M-MIMO系统的方案。与之相呼应，学术界提出了基于DLAA的波束域(或角度域)M-MIMO的概念。不同于传统的天线阵列，DLAA阵列可以实现对空间信道的离散傅里叶变换，将空域M-MIMO信道转化为波束域M-MIMO信道。由于毫米波空间信道中的可分辨传播路径数远少于天线数，变换到波束域的mmWave M-MIMO信道具有明显的稀疏特性，即极少量波束对应的信道增益远大于其余波束。利用这一特性，通过一个由开关阵列组成的波束选择网络(beam selection network,BSN)选出这些能量聚集的波束，再将它们分别与独立的射频链路相连，可以在保证系统性能没有很大损失的前提下极大的减少系统的射频链路数，进而有效节省硬件成本以及功率损耗。

随着DLAA技术以及波束域M-MIMO的概念被提出，许多波束选择算法被提出以优化mmWave M-MIMO系统的频谱效率。然而，大多数研究只考虑了窄带传输以及终端用户配置单天线的情况。这样的考虑比较简单，可以简化具体方案的设计，但却并不实际。首先，毫米波频段具有丰富的频谱资源，毫米波通信系统可利用的带宽要远大于传统的无线通信系统，因此在毫米波通信中更合理的假设应该是宽带传输。由于波束选择网络处于射频端，不具有频率分辨能力，不同的子频段对应的波束选择网络无法分别设计。换言之，波束选择网络的设计具有频率独立性(frequency independent)，所以基于窄带传输的波束选择方案无法适用于宽带系统中。其次，由于毫米波频段电磁波频率较高，波长较短，相应的天线尺寸可以设计的更为小巧，这使得在终端用户配置多天线成为了可能。在毫米波通信中，终端用户往往可以采用混合模数结构提升自身传输速率，这一硬件结构为用户配置数量多于射频链路的天线，每条天线通过一个相位可以调节的移相器与一条射频链路相连，实现射频端(或模拟域)的预编码或者滤波。因此，在用户配置多天线的毫米波多用户MIMO下行通信中，为了进一步改善系统的频谱效率，设计波束选择算法需要兼顾终端用户侧的滤波器或均衡器的优化。综上所述，透镜阵列辅助的mmWave M-MIMO下行链路的波束选择算法设计需要兼顾考虑宽带系统的波束选择网络的频率独立性以及用户侧滤波器的影响。为解决上述问题，本发明根据宽带毫米波多用户大规模MIMO下行系统的特点，提出了复杂度较低的算法对系统的波束选择矩阵、用户侧的滤波矩阵以及基站侧的数字域预编码矩阵进行联合优化以改善系统的频谱效率。

发明内容