[发明专利]一种基于几何构造的毫米波数字模拟混合预编码设计方法

说明书

本发明公开了一种基于几何构造的毫米波数字模拟混合预编码设计方法，其特征在于，包括如下步骤：1、根据发射端天线与接收端天线的信道状态信息计算纯数字预编码矩阵F_D；2、对纯数字预编码矩阵F_D进行矩阵分解，分解为模拟预编码矩阵F_RF和数字预编码矩阵F_BB的乘积；3、设置数字预编码矩阵F_BB中的系数f_i(n)；4得到关于第i个用户的模拟域相位φ_m,M+n的非线性方程：5、求解非线性方程，得到模拟域相位φ_m,n，进而得到模拟预编码矩阵F_RF。该方法从几何角度出发，将预编码设计问题转化成复平面的三角形构造问题，降低了系统的码字搜索复杂度(时间复杂度)和计算复杂度，同时有效提升系统的频谱效率。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于几何构造的毫米波数字模拟混合预编码设计方法。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，高速数据业务以及无处不在的接入需求正呈现出一种爆炸式的增长。下一代5G移动通信技术，对容量、能耗和带宽的需求将越来越高。有研究表明，在基站端采用大规模天线阵列，可以带来系统能效以及频谱利用率提高等多种性能优势。但是，在传统微波频段，大量的天线会导致满足隔离度的天线尺寸较大，给系统的硬件实现带来了一定的困难。

移动数据需求的不断增长，同时也使得6GHz以下的频谱变得越来越拥挤，而6-300GHz的频谱还没有被充分利用。毫米波频段因其大量未授权的带宽被选为下一代无线局域网和移动通信系统的关键频谱，能够大大缓解现有的低频频谱困局。毫米波和MIMO系统结合，可以利用空间复用和空间分集技术进一步提高传输速率和传输质量。虽然相对于传统频段，毫米波传输面临着更大的路径损耗，因而通信距离与覆盖范围十分有限。但是毫米波信号的短波长允许大量天线以非常小的尺寸封装，进而可以利用大规模天线阵列的阵列增益和空分复用增益，弥补系统严重的路径损耗，提高通信距离及增加覆盖范围。

在毫米波MIMO系统中，对于任意的设计准则，纯数字波束成型(DigitalBeamforming)方法总能够得到相对最优的系统性能。但是DB方案下，发射和接收端的每根天线都需要连接一个射频链路。当天线数较大时，系统的硬件成本过高。纯模拟波束成型方案相较于纯数字波束成型方案，虽然成本降低，但是受射频链路的硬件限制较大，自由度较小。因此在毫米波系统中，一般采用混合预编码的方式，期望获得与纯数字波束成型方法相近的系统性能，一方面，数字预编码层能提供更多的自由度，同时传输多个数据流；另一方面，模拟预编码层减少了射频链的使用数量，系统的硬件成本得以降低。

在现有的大多数混合预编码设计方法中，为得到合适的模拟预编码矢量，通常需要对码书进行贪婪搜索，而码书大小通常随系统天线数、相位量化比特数呈指数增长，因此，大范围搜索必然导致系统复杂度较高。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种种基于几何构造的毫米波数字模拟混合预编码设计方法，该方法从几何角度出发，将原本的基于矩阵分解的预编码设计问题转化成复平面的三角形构造问题，降低了系统的码字搜索复杂度(时间复杂度)和计算复杂度，同时有效提升系统的频谱效率。

技术方案：本发明采用如下技术方案：

一种基于几何构造的毫米波数字模拟混合预编码设计方法，包括如下步骤：

(1)根据发射端天线与接收端天线的信道状态信息计算纯数字预编码矩阵F_D＝[f_D,1,f_D,2,,…,f_D,U]；其中U为接收端用户数；