CN105610476B - 分离型数模混合收发通信***中的模拟波束矢量优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分离型数模混合收发通信***中的模拟波束矢量优化方法，在分离型数模混合收发通信***中，利用干扰对齐思想提出一种优化模拟波束矢量的迭代算法，通过此迭代算法根据信道的互易特***替优化接收端每一个子阵列的波束矢量和发射端每一个子阵列的波束矢量，直到每一个子阵列的干扰的变化小于某给定的阈值。该迭代算法具有收敛速度快、计算量小、复杂度低等优点，可以实现子阵列之间干扰对齐，通过干扰对齐可以减小子阵列之间干扰，进而提高***的频谱效率，改善***性能。

Description

分离型数模混合收发通信***中的模拟波束矢量优化方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及到毫米波(Millimeter wave)多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)分离型数模混合收发通信***中模拟波束矢量优化方法。
背景技术
随着通信技术的不断发展，无线通信设备接入量和用户对数据速率的需求也不断增加，拥有高频段的毫米波和MIMO***结合可以实现传输速率和频谱效率的提高。毫米波MIMO通信***受到了全球人的关注，掀起了全球移动通信领域新一轮的技术竞争。为了实现移动互联网的快速发展和业务支撑能力的提升，5G引入先进的多址接入技术、多天线技术、编码调制技术、新波束设计技术等无线传输技术以及采用灵活的网络架构和组网技术等无线网络技术，同时，毫米波频段成为新一代通信技术中最具有发展前景的频段。
在毫米波MIMO通信***中，为了提高***传输速率，实现高质量通信，波束成型技术成为了关注的热点。在传统MIMO通信***中，在基带采用数字波束成型技术，然而一根天线与一个射频(Radio Frequency，RF)链路连接，随着天线数的增加，所需要成本也在增加。在模拟域使用廉价相移器构成的模拟波束成型可以大大减少成本，但是因为相移器本身的限制条件使得性能受到一定的影响，因此使得如何更好地设计模拟波束成型具有了更大的价值。
发明内容
发明目的：在现有的波束成型技术中，大部分都是基于传输速率或者接收功率来确定数字域波束成型或者模拟域波束成型。本发明目的在于提出了一种分离型数模混合收发通信***中的模拟波束矢量优化方法，在分离型数模混合收发通信***中，利用干扰对齐思想提出一种优化模拟波束矢量的迭代算法，该迭代算法具有收敛速度快、计算量小、复杂度低等优点。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：分离型数模混合收发通信***中的模拟波束矢量优化方法，该方法利用干扰对齐思想，基于初始的模拟预编码矩阵和模拟合成矩阵，以最小化接收干扰为目标，根据信道的互易特***替优化接收端每一个子阵列的波束矢量和发射端每一个子阵列的波束矢量，直到每一个子阵列干扰的变化小于某给定的阈值，进而可得到最终的模拟预编码矩阵和模拟合成矩阵。
为了更好理解本发明的技术方案，首先介绍一下上述方法中涉及的分离型数模混合收发通信***中的预编码矩阵和合成矩阵。在分离型数模混合收发通信***中，一个射频链路与一个天线子阵列相连接，一根天线与一个相移器连接。模拟预编码器由相移器实现，也就是说模拟预编码矩阵FR元素需要满足幅度为常数的约束条件,FR可表示如下：
其中FR的维度为N×NRF，NRF为射频链路数，N为总的发射天线数， 为第i个发射天线子阵列上天线数，为第i个子阵列的的波束控制矢量，θi,l表示第i个子阵列的第l根天线的相位角，T表示转置。类似地，模拟合成矩阵与发射端模拟预编码矩阵表达方式相同，模拟合成矩阵GR表示如下：
其中GR为M×NRF的矩阵，NRF表示射频链路数，为总的接收天线数，为第k个接收子阵列上天线数，表示第k个子阵列上维度为的波束控制矢量，表示第k个子阵列的第l根天线的相位角。
本发明方法中的对接收端每一个子阵列的波束矢量进行优化的具体方法为：对于给定发射端RF预编码矩阵，以接收端第k个子阵列收到发射端第i个子阵列的信号能量最小为目标，i≠k，以接收端第k个子阵列的波束控制矢量的幅度为常数为约束条件，对接收端的第k个子阵列进行相移器的相位矢量迭代更新。
为了降低发射端的第i(i≠k)个子阵列对接收端的第k个子阵列的干扰，通过优化第k个子阵列的波束方向来使其接收到的干扰信号最小化，即
其中Hk,i表示接收端的第k个子阵列和发射端的第i个子阵列之间的信道，维度为 为接收端的第k个子阵列的相移器的相位矢量，H表示共轭转置。通过观察(公式3)，可以把目标函数转化为下式
其中是一个Hermitian半正定矩阵，gk(l)表示列矢量gk的第l个元素，表示矩阵第(l，l)个元素，表示gk取出第l个元素后维度为的列矢量，表示矩阵的第l列去除第l个元素后的列矢量,表示矩阵去除第l行和第l列后的矩阵，表示取实部。从(公式4)可以看出，第k个子阵列的第l个天线元素的相位角只与(公式4)中的第三项有关。另外，gk中元素还受到幅度为常数约束条件，于是gk中的每一个元素需要满足最优条件
其中angle表示取角度值。
对于给定发射端RF预编码矩阵FR，同时对接收端的子阵列进行相移器的相位矢量更新，求解接收端第k个子阵列的相移器相位矢量的具体方法为：
步骤1：初始gk，τ＝0，χτ＝0；
步骤2：依次更新每根接收天线的相位：其中，
步骤3:把gk代入公式求得χτ+1；
步骤4：如果|χτ+1-χτ|≤ε，则获得接收端的第k个子阵列的相移器相位矢量并停止迭代，否则τ＝τ+1，继续步骤2。
其中，τ、χτ、ε分别表示迭代次数、目标函数和迭代终止阈值。
类似地，本发明方法中的对发射端每一个子阵列的波束矢量进行优化的具体方法为：对于给定接收端RF合成矩阵，以发射端第i个子阵列收到接收端第k个子阵列的信号能量最小为目标，k≠i，以发射端第i个子阵列的波束控制矢量的幅度为常数为约束条件，对发射端的第i个子阵列进行相移器的相位矢量迭代更新。
根据信道的互易特性，利用干扰对齐可以表示出发射端的第i个子阵列的波束方向优化函数
同样上式可以表示成(公式4)类似的表达式
其中是一个Hermitian半正定矩阵，fi(l)表示列矢量fi的第l个元素，表示矩阵第(l，l)个元素，表示fi取出第l个元素后维度为的列矢量，表示矩阵的第l列去除第l个元素后的列矢量,表示矩阵去除第l行和第l列后的矩阵。易知，fi中每一个元素需要满足的最优条件为：
给定接收端RF合成矩阵GR，同时对发射端的子阵列进行相移器的相位矢量更新，求解发射端第i个子阵列的相移器相位矢量的具体方法为：
步骤1：初始化fi，τ＝0，
步骤2：依次更新每根发射天线的相位：
其中，
步骤3：将fi代入公式求得
步骤4：如果则停止迭代，否则τ＝τ+1，继续步骤2。其中，τ、ε分别表示迭代次数、目标函数和迭代终止阈值。
通过交替运行并更新接收端和发射端的相移器的相位矢量，直到每一个子阵列的干扰值的变化小于给定的阈值，即可得到每一个子阵列的波束控制矢量，进而得到模拟预编码矩阵和模拟合成矩阵。
有益效果：本发明提出的一种分离型数模混合收发通信***中的模拟波束矢量优化方法，在分离型数模混合收发通信***中，利用干扰对齐思想提出一种优化模拟波束矢量的迭代算法，通过此迭代算法根据信道的互易特***替优化接收端每一个子阵列的波束矢量和发射端每一个子阵列的波束矢量，直到满足所需要的性能。该迭代算法具有收敛速度快、计算量小、复杂度低等优点，可以实现子阵列之间干扰对齐，通过干扰对齐可以减小子阵列之间干扰，进而提高***的频谱效率，改善***性能。
附图说明
图1为本发明中的分离型数模混合收发通信***框图。
图2为本发明基于干扰对齐优化模拟波束矢量的算法流程图。
图3为本发明实施例中所对应的收发机实现框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，在分离型数模混合收发通信***中，一个射频链路与一个子阵列连接，一根天线与一个相移器连接，为了求解模拟预编码矩阵和模拟合成矩阵，需要对每一个子阵列的波束矢量优化，具体优化流程图见图2。
本发明实施例中，发射端有4条射频链路，一个射频链路与一个子阵列连接，每一个子阵列上天线数为8，一根天线与一个相移器连接，接收端有4条射频链路，一个射频链路与一个子阵列连接，每一个子阵列上有8根天线，一根天线与一个相移器连接，收发机实现框图见图3。支持不同射频链路数和每一个子阵列上天线数的装置可以修改本实施例中的例子得到。
在分离型数模混合收发通信***中，一个射频链路与一个天线子阵列相连接，一根天线与一个相移器连接。模拟预编码器由相移器实现，也就是说模拟预编码矩阵FR元素需要满足幅度为常数的约束条件,FR可表示如下：
其中FR的维度为32×4，4为发射端射频链路数，32为总的发射天线数，起初fi,i＝1,2,…,4均为[0.3536,0.3536,…,0.3536]T的8×1的波束控制矢量，T表示转置。类似地，模拟合成矩阵与发射端模拟预编码矩阵表达方式相同，模拟合成矩阵GR表示如下：
其中GR为32×4的矩阵，4表示接收端射频链路数，32为总的接收天线数，起初gk,k＝1,2,…,4也均为[0.3536,0.3536,…,0.3536]T的8×1的波束控制矢量。
为了降低发射端的第i(i≠k)个子阵列对接收端的第k个子阵列的干扰，通过优化第k个子阵列的波束方向来使其接收到的干扰信号最小化，即
其中Hk,i表示接收端的第k个子阵列和发射端的第i个子阵列之间的信道，维度为8×8，为接收端的第k个子阵列的相移器的相位矢量，H表示共轭转置。通过观察(公式11)，可以把目标函数转化为下式
其中是一个Hermitian半正定矩阵，gk(l)表示列矢量gk的第l个元素，表示矩阵第(l，l)个元素，表示gk取出第l个元素后维度为的列矢量，表示矩阵的第l列去除第l个元素后的列矢量,表示矩阵去除第l行和第l列后的矩阵，表示取实部。从(公式12)可以看出，第k个子阵列的第l个天线元素的相位角只与(公式12)中的第三项有关。另外，gk中元素还受到幅度为常数约束条件，于是gk中的每一个元素需要满足最优条件
其中angle表示取角度值。
对于给定发射端RF预编码矩阵FR，同时对接收端的子阵列进行相移器的相位矢量更新，求解接收端第k个子阵列的相移器相位矢量的具体方法为：
步骤1：初始gk，τ＝0，χτ＝0；
步骤2：依次更新每根接收天线的相位：其中，l＝1,2，…，8；
步骤3:把gk代入公式求得χτ+1；
步骤4：如果|χτ+1-χτ|≤ε，则获得接收端的第k个子阵列的相移器相位矢量且停止迭代，否则τ＝τ+1，继续步骤2；
其中，τ、χτ、ε分别表示迭代次数、目标函数和迭代终止阈值。
根据信道的互易特性，利用干扰对齐可以表示出发射端的第i个子阵列的波束方向优化函数
同样上式可以表示成(公式12)类似的表达式
其中是一个Hermitian半正定矩阵，fi(l)表示列矢量fi的第l个元素，表示矩阵第(l，l)个元素，表示fi取出第l个元素后维度为的列矢量，表示矩阵的第l列去除第l个元素后的列矢量,表示矩阵去除第l行和第l列后的矩阵。易知，fi中每一个元素需要满足的最优条件为：
给定接收端RF合成矩阵GR，同时对发射端的子阵列进行相移器的相位矢量更新，求解发射端第i个子阵列的相移器相位矢量的具体方法为：
步骤1：初始化fi，τ＝0，
步骤2：依次更新每根发射天线的相位：其中，l＝1,2，…，8；
步骤3：将fi代入公式求得
步骤4：如果则停止迭代，否则τ＝τ+1，继续步骤2；其中，τ、ε分别表示迭代次数、目标函数和迭代终止阈值。
通过交替运行并更新接收端和发射端的相移器的相位矢量，直到每一个子阵列的干扰的变化小于某给定的阈值，即可得到每一个子阵列的波束控制矢量，进而得到模拟预编码矩阵和模拟合成矩阵。

Claims (5)

1.分离型数模混合收发通信***中的模拟波束矢量优化方法，其特征在于，该方法基于初始的模拟预编码矩阵和模拟合成矩阵，以最小化接收干扰为目标，优化接收端每一个子阵列的波束矢量和发射端每一个子阵列的波束矢量，直到每一个子阵列的干扰的变化小于给定的阈值，得到最终的模拟预编码矩阵和模拟合成矩阵；
其中，优化接收端每一个子阵列的波束矢量为：对于给定发射端RF预编码矩阵，以接收端第k个子阵列收到发射端第i个子阵列的信号能量最小为目标，i≠k，以接收端第k个子阵列的波束控制矢量的幅度为常数为约束条件，对接收端的第k个子阵列进行相移器的相位矢量迭代更新；其中目标表示为：
其中Hk,i表示接收端的第k个子阵列和发射端的第i个子阵列之间的信道，fi为发射端的第i个子阵列的波束控制矢量，gk为接收端的第k个子阵列的波束控制矢量，NRF为射频链路数，为接收端的第k个子阵列的相移器的相位矢量，H表示共轭转置；
优化发射端每一个子阵列的波束矢量为：对于给定接收端RF合成矩阵，以发射端第i个子阵列收到接收端第k个子阵列的信号能量最小为目标，k≠i，以发射端第i个子阵列的波束控制矢量的幅度为常数为约束条件，对发射端的第i个子阵列进行相移器的相位矢量迭代更新；其中目标表示为：
其中θi为发射端的第i个子阵列的相移器的相位矢量。
2.根据权利要求1所述的分离型数模混合收发通信***中的模拟波束矢量优化方法，其特征在于，gk中的每一个元素的计算公式为：
其中,M为接收端总接收天线数，angle表示取角度值，
表示矩阵的第l列去除第l个元素后的列矢量，表示gk去除第l个元素后的列矢量。
3.根据权利要求2所述的分离型数模混合收发通信***中的模拟波束矢量优化方法，其特征在于，迭代求解更新接收端第k个子阵列的相移器相位矢量的具体步骤包括：
步骤1：初始迭代参数，包括gk，迭代次数τ＝0，目标函数值χτ＝0以及迭代终止阈值ε；
步骤2：根据公式依次更新接收端第k个子阵列的每根接收天线的相位，其中， 为第k个接收子阵列上的天线数；
步骤3：将步骤2中得到的gk代入公式求得目标函数值χτ+1；
步骤4：如果|χτ+1-χτ|≤ε，则获得接收端的第k个子阵列的相移器相位矢量且停止迭代，否则τ＝τ+1，继续步骤2。
4.根据权利要求1所述的分离型数模混合收发通信***中的模拟波束矢量优化方法，其特征在于，fi中每一个元素的计算公式为：
其中N表示发射端总发射天线数，表示矩阵的第l列去除第l个元素后的列矢量,angle表示取角度值，表示fi去除第l个元素后的列矢量。
5.根据权利要求4所述的分离型数模混合收发通信***中的模拟波束矢量优化方法，其特征在于，迭代求解更新发射端第i个子阵列的相移器相位矢量的具体步骤包括：
步骤1：初始迭代参数，包括fi，迭代次数τ＝0，目标函数值以及迭代终止阈值ε；
步骤2：根据公式依次更新发射端第i个子阵列的每根发射天线的相位，其中， 为第i个发射子阵列上的天线数；
步骤3：将步骤2中得到的fi代入公式求得目标函数值
步骤4：如果则获得发射端的第i个子阵列的相移器相位矢量且停止迭代，否则τ＝τ+1，继续步骤2。
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