[发明专利]一种低成本广覆盖的毫米波预编码方法

说明书

本发明公开了一种低成本广覆盖的毫米波预编码方法，包括：针对智能反射面辅助的毫米波MIMO系统，建立系统模型和信道模型；基于智能反射面无源特性，构建以系统平均频谱效率最大化为优化目标的混合时间尺度联合预编码设计问题；将原问题分解为子阵结构混合预编码和智能反射面反射系数矩阵两个子问题，分别进行求解。本发明提出的低成本广覆盖的毫米波预编码技术，在传统毫米波MIMO系统的基础上引入混合预编码架构和智能反射面并联合优化基站有源波束和智能反射面无源波束设计，可以有效提高系统的通信性能，并且算法计算复杂度较低。

技术领域

本发明涉及毫米波预编码技术领域，特别是涉及一种低成本广覆盖的毫米波预编码方法。

背景技术

毫米波通信是一种用于下一代蜂窝系统的有前景的技术。然而，它也面临着一些挑战，其中一个关键问题是传输信号的显著路径损耗。最近，大规模多输入多输出(MIMO)已被用于同时为一组用户提供服务，并通过高度定向的预编码提供阵列增益以克服毫米波信道的高路径损耗。同时，高方向性使得毫米波信号容易被阻塞，为了解决阻塞问题，中继被用来提高毫米波MIMO通信的覆盖范围。但是，随着中继部署增多，系统的能耗和硬件成本会增加，此外，在无线网络中添加过多的有源组件(例如中继)会导致严重的干扰问题，因此，必须以一种新的方式增强毫米波MIMO通信的覆盖范围。

最近，智能反射面作为中继部署的一种经济有效的解决方案被提出来，具体来说，智能反射面是一个由软件控制的表面，它由大量可重新配置的无源元件组成。作为一项新兴技术，智能反射面具有以下特点：通过调整反射元件的相移和幅度使得反射信号在不同的接收器处增强或减弱；不需要专用电源，功耗低；硬件成本低；尺寸小，部署成本低，灵活性高。因此，智能反射面可以提供显著的无源波束成形增益。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低成本广覆盖的毫米波预编码方法，用以降低系统的硬件成本和功耗，提升系统的通信性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低成本广覆盖的毫米波预编码方法，所述预编码方法包括如下步骤：

步骤S1、针对智能反射面辅助的毫米波MIMO通信系统，基于Saleh-Valenzuela信道模型构建其信道模型H_I、信道模型H_R以及信道模型G，其中，所述毫米波MIMO通信系统包括基站侧和用户侧，在基站侧和用户侧之间还设置有所述的智能反射面，H_I表示为智能反射面与用户侧之间的信道模型，H_R表示为基站侧与智能反射面之间的信道模型，G表示为基站侧与用户侧之间的信道模型；

步骤S2、针对所述的智能反射面辅助的毫米波MIMO通信系统，构建以系统平均频谱效率最大化为优化目标的混合时间尺度联合预编码设计问题，其中，通过在总发射功率约束和硬件限制下联合优化智能反射面的反射系数矩阵和基站的混合预编码器的方式，来最大化系统平均频谱效率，其中，根据整体信道H_IΦH_R+G的瞬时信道状态信息来设计基站侧的混合预编码器，并根据信道H_R，H_I和G的统计信道状态信息优化智能反射面的反射系数矩阵；

步骤S3、针对步骤S2的优化问题，将其分解为子阵结构混合预编码和智能反射面反射系数矩阵两个设计子问题，再分别进行求解。

进一步的，在所述步骤S3中，针对智能反射面反射系数矩阵的子问题的求解，其包括：首先通过等价转化和简化原问题，解耦两个优化变量的关联，然后将新的优化问题表述为关于单一反射系数的形式，接着提出一种有效的BCD算法进行求解；

针对混合时间尺度联合预编码设计问题的求解，其包括：首先定义虚拟变量解耦基带数字预编码器和模拟射频预编码器，然后利用注水算法解将原始子问题转换为只与模拟射频预编码器有关的优化问题，接着将得到的新问题松弛并改写为易于求解的形式，最后给出约束下的模拟预编码器闭式解。