一種在毫米波預編碼系統(tǒng)中的迭代波束成形方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無線通信技術領域，尤其涉及一種在無線多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)通信系統(tǒng)中利用信道間稀疏性降低迭代波束成形的天線訓練開銷的方法。本發(fā)明提出一種在毫米波預編碼系統(tǒng)中的迭代波束成形方法，用于克服大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中冪迭代方法天線訓練開銷過大的缺陷，該方法利用毫米波信道的空間稀疏性，將毫米波MIMO天線訓練中接收向量的估計問題轉(zhuǎn)化為稀疏重建問題，從而利用壓縮感知的相關理論來降低損耗。
【專利說明】
-種在毫米波預編碼系統(tǒng)中的迭代波束成形方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術領域，尤其設及一種在無線多輸入多輸出（Multiple I噸Ut Multiple Output,MIMO)通信系統(tǒng)中利用信道間稀疏性降低迭代波束成形的天線訓 練開銷的方法。
【背景技術】
[0002] 波束成形技術是一種陣列信號處理技術，可W看作空域線性濾波，在MIMO系統(tǒng)中 可W用于克服路徑損耗，改善接收信噪比，提升系統(tǒng)容量等。在波束成形技術中，關鍵是獲 得在當前信道狀態(tài)下收發(fā)端的滿足設定準則的最優(yōu)陣列信號加權向量。在容量最優(yōu)準則 下，收發(fā)端的波束成形加權向量是通過信道矩陣的奇異值分解(SVD)而得到的奇異向量，具 體原理敘述如下：
[0003] 假設MIMO系統(tǒng)的接收天線數(shù)目為化，發(fā)射天線數(shù)目為Nr,信道矩陣H e炒?？蒞 進行SVD分解，表示為H = UAyH,其中，（.）H表示矩陣共輛轉(zhuǎn)置，U = [Ui，U2,...和 V = [Vi，V2，...，Vav]分別是大小為NrXNr與NtXNt的酉矩陣，A是一個NrXNt對角陣，其對角 元為按降序排列的H的奇異值(〇1,巧，...〇m)，m=min(NT，NR)。
[0004] 對于Ns維的波束成形，發(fā)送端與接收端波束成形矩陣分別采用所述信道矩陣H的 右奇異矩陣V和左奇異矩陣U的前m列，旨陽=[Vl,V2, . . .，Vm] ,W= [Ul,U2, . . . ,Um]，其中，Ns《 m〇
[0005] 假設發(fā)送符號為X=[X1，X2, . . .，Xm]T，接收符號為y=[yi，y2, . . .，y"]T，噪聲
[0006] 可見，特征波束成形等效地將MIMO信道劃分為m個并行獨立的子信道，每個子信道 都獲得了最大化的信噪比。
[0007] 通常，接收端通過估計信道矩陣H并進行SVD分解來獲得收發(fā)雙方的波束成形矩 陣，之后接收端將發(fā)送端的波束成形矩陣F反饋至發(fā)送端。運種直接估計和反饋的方法適用 于天線數(shù)目較小的情況，而在天線數(shù)目較多的MIMO系統(tǒng)中（例如，毫米波MIMO系統(tǒng)的天線數(shù) 目多達幾十個），其計算復雜度和訓練開銷都變得無法承受。
[000引在時分雙工(Time Division Duplex,TDD)系統(tǒng)中，利用上行信道和下行信道的互 易性，提出了一種不用估計信道參數(shù)即可獲得特征向量的迭代波束成形方法，即幕迭代方 法。之后進一步將運種方法擴展到了多維的波束成形，即通過逐個階段剝離的方式得到化 個波束成形矢量，也就是波束成形矩陣，每個階段都要經(jīng)歷一輪幕迭代。傳統(tǒng)幕迭代方法在 一個階段的迭代中，正向迭代時，接收方為了得到完整的接收向量，假設接收方使用單位矩 陣作為接收波束成形矩陣，發(fā)送端必須發(fā)送同一個訓練序列Nt次。同理，反向迭代時，接收 端必須發(fā)送訓練序列Nr次。假設預設迭代次數(shù)為化TER,那么一個階段的迭代收發(fā)次數(shù)為化TER (Nt+Nr)，迭代的開銷和收發(fā)雙方天線數(shù)目的綜合成正比。
[0009] 可見，當收發(fā)雙方的天線數(shù)目較小時，開銷不大，但是隨著天線數(shù)目的增加，訓練 階段的開銷隨著天線數(shù)目成倍增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了克服大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中幕迭代方法天線訓練開銷過大的缺陷，本發(fā)明提出一 種在毫米波預編碼系統(tǒng)中的迭代波束成形方法，該方法利用毫米波信道的空間稀疏性，將 毫米波MIMO天線訓練中接收向量的估計問題轉(zhuǎn)化為稀疏重建問題，從而利用壓縮感知的相 關理論來降低損耗。
[0011] 為了方便地描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先對本發(fā)明中所使用的概念和術語進行定義。
[0012] 空間稀疏性:無線信號由于較高的路徑損耗和極差的散射性能，收發(fā)雙方只由有 限的幾條電磁波傳播路徑相連接，和信道有關的信號計算問題可W方便地表達為稀疏重建 問題。
[0013] 稀疏多徑信道模型：稀疏多徑信道可W建模為具有K路多徑的幾何模型
。其中，巧~公r(〇，i)表示第i徑的復信道增益，0康示第i徑的離開角， 4康示第i徑的到達角，StU 1)是發(fā)送端的天線陣列響應，aR(0i)是接收端的天線陣列響 應，i = l，2, ...，K。所述天線陣列采用均勻線性陣列化LAs),則發(fā)送端的天線陣列響應可W 表達成
，接收端的天線陣列響應可W表達成
廷中，人是信號波長，(1是天線陣元間距，一般取^/=!。
[0014] -種在毫米波預編碼系統(tǒng)中的迭代波束成形方法，步驟如下：
[0015] S1、利用稀疏多徑信道的幾何模型進行稀疏建模，將與信道關聯(lián)的接收信號的估 計問題表示成稀疏信號的恢復問題，定義接收端字典矩陣 定義發(fā)送^
其中，N 表示接收端字典長度，M表示接收端字典長度；
[0016] S2、進行角度量化碼本的建立，接收端碼本為 ，發(fā) 射端碼本為
，
為 碼本大小，化為發(fā)送天線數(shù)目，Nr為接收天線數(shù)目；
[0017] S3、初始階段處理，具體如下：
[001引S31、發(fā)送端生成一個NtXI向量[1，0,0,…，0]T并進行歸一化作為初始向量，并放 入碼本中使用稀疏信號恢復算法估計得到初始向量f;
[0019] S32、分別定義此過程中的發(fā)送端和接收端的測量次數(shù)Nmr<^Nmt<^
[0020] S33、在0個隨機矩陣中選取發(fā)送端最優(yōu)測量矩陣O A選取接收端的最優(yōu)測量矩陣 〇1/\其中，〇為不為零的自然數(shù)，選取發(fā)送端最優(yōu)測量矩陣〇1呀日選取接收端的最優(yōu)測量矩 陣〇1/^為經(jīng)驗判斷過程；
[0021] S34、接收波束成形向量訓練，具體如下：
[0022] S34-l、發(fā)送端連續(xù)發(fā)送Nmt<^次向量f至接收端，接收端接收過程中使用OR<^的列作 為波束成形加權合并向量，接收端得至I
，其中，M表示接收端的加性高斯白 噪聲向量
[0023] S34-2、接收端使用稀疏信號恢復算法計算出表示接收信號到達角在Sl所述字典 矩陣Ard中的位置的稀疏向量ZR，其中，ZR是一個N X 1的列向量，N表不字典Ard的長度，Zr中有 K個非零元素，K<<N;
[0024] S34-3、Hf ^Ardzr，所述Hf存儲在NrX 1向量g中，即S = Ardzr,其中，信道矩陣
接收端對向量g進行歸一化，即
并將運返回至發(fā)送端；
[0025] S35、發(fā)送波束成形向量訓練，具體如下：
[00%] S35-1、接收端連續(xù)發(fā)送NmrD次S34-3所述向量i至發(fā)送端，發(fā)送端在接收過程中使 用ClV的列作為波束成形加權合并向量，發(fā)送端得菌
，其中，叫表示第k次迭 代發(fā)送端的加性高斯白噪聲向量，
；
[0027] S35-2、發(fā)送端使用稀疏信號恢復算法計算出表示接收信號到達角在Sl所述字典 矩陣Atd中的位置的稀疏向量ZT，其中，ZT是一個M X 1的列向量，M表示字典Atd的長度，ZT中有 K個非零元素，K<<M;
[002引 S35-3、
廝述RTg存儲在化X 1向量f中，即f=Atdzt,接收端對向量g進行 歸一化，即
，并將T返回至發(fā)送端；
[0029] S4、迭代過程，具體如下：
[0030] S41、分別定義此過程中的發(fā)送端和接收端的測量次數(shù)Nmr, Nmt;
[0031] S42、找到S24-2，S25-2中K個非零元素的位置所對應的角度，并將K個角度放入衣個 相位中找到與之最近的相位，最后得到相位
將其轉(zhuǎn)置即為發(fā)送端和接收端的測量矩陣，其中，S個相位是將-n~n進行勞個量化；
[0032] S43、接收波束成形向量訓練，具體如下:發(fā)送端連續(xù)發(fā)送Nmt次向量f至接收端，接 收端接收過程中使用O R的列作為波束成形加權合并向量，接收端得到r = O rH化f+M )，接 收端使用最小二乘法計算出系數(shù)hR=(巫RARrlr,并求得V = ARhR,并將V放入碼本中使用稀 疏信號恢復算法進行估計，接收端對估計后的向量V進行歸一化，即
，并將^返回至發(fā) 送端；
[0033] S44、發(fā)送波束成形向量訓練，具體如下:接收端連續(xù)發(fā)送Nmr次向量立至發(fā)送端，發(fā) 送端接收過程中使用Ot的列作為波束成形加權合并向量，接收端得菌
，接 收端使用最小二乘法計算出系數(shù)hT=(?TATrlt，并求得f = AThT，并將f放入碼本中使用稀 疏信號恢復算法進行估計，接收端對估計后的向量f進行歸一化，即
并將7返回至發(fā) 送端，即回到S33進行迭代；
[0034] S5、最后將迭代后得到的V，巧俞出即可。
[0035] 進一步地，S33所述0 = 10000。
[0036] 本發(fā)明的有益效果是：
[0037] 本發(fā)明保留了幕迭代方法的好處，即無需估計信道狀態(tài)信息，收斂性較好。同時， 利用毫米波MIMO信道的空間稀疏性，在獲得接收信號向量的時候無需再發(fā)送和天線數(shù)目一 樣多次數(shù)的同一訓練序列，而只需要發(fā)送遠少于天線數(shù)目的次數(shù)，且此陣列系統(tǒng)調(diào)整了每 個天線的信號相位。
[0038] 本發(fā)明和幕迭代方法類似，采用多階段投影迭代的方式，可W輕易地擴展到多流 MIMO系統(tǒng)的天線訓練中。
【附圖說明】
[0039] 圖1毫米波MIMO波束成形系統(tǒng)圖。
[0040] 圖2是本發(fā)明仿真程序的流程圖。
[0041] 圖3是本發(fā)明應用于二流波束成形的情形的容量性能曲線對比圖。
[0042] 圖4是本發(fā)明應用于四流波束成形的情形的容量性能曲線對比圖。
【具體實施方式】
[0043] 下面結合實施例和附圖，詳細說明本發(fā)明的技術方案。
[0044] 如圖1所示毫米波MIMO波束成形系統(tǒng)圖，圖中展示的是具有化個數(shù)據(jù)流的MIMO系 統(tǒng)，使用特征波束成形，則發(fā)送端波束成形矩巧
接收端波束成 形矩陣
[0045] 圖3是本發(fā)明應用于二流波束成形的情形的容量性能曲線，從上到下分別為SVD條 件下的曲線，本發(fā)明的曲線。圖4是本發(fā)明應用于四流波束成形的情形的容量性能曲線。
[0046] 實施例、
[0047] S1、利用稀疏多徑信道的幾何模型進行稀疏建模，將與信道關聯(lián)的接收信號的估 計問題表示成稀疏信號的恢復問題，定義接收端字典矩陣 定義發(fā)X
其中，N 表示接收端字典長度，M表示接收端字典長度，N越大，表示量化越精細，從而量化誤差越小， M越大，表示量化越精細，從而量化誤差越??；
[004引S2、進行角度量化碼本的建立，接收端碼本為
，發(fā)
碼本大小，化為發(fā)送天線數(shù)目，Nr為接收天線數(shù)目；
[0049] S3、初始階段處理，具體如下：
[0050] S31、發(fā)送端生成一個NtXI向量[1，0,0,…，0]T并進行歸一化作為初始向量，并放 入碼本中使用稀疏信號恢復算法估計得到初始向量f;
[0051] S32、分別定義此過程中的發(fā)送端和接收端的測量次數(shù)Nmr<^Nmt<^
[0052] S33、在10000個隨機矩陣中找到表示發(fā)送端和接收端的最優(yōu)測量矩陣〇T〇, OrO;
[0053] S34、接收波束成形向量訓練，具體如下：
[0054] S34-1、發(fā)送端連續(xù)發(fā)送NmtD次向量f至接收端，接收端接收過程中使用OrD的列作 為波束成形加權合并向量，接收端得到
其中，M表示接收端的加性高斯白 噪聲向量
[0055] S34-2、接收端使用稀疏信號恢復算法計算出表示接收信號到達角在SI所述字典 矩陣Ard中的位置的稀疏向量ZR，其中，ZR是一個N X 1的列向量，N表示字典Ard的長度，ZR中有 K個非零元素，K<<N;
[0056] S34-3、Hf ^Ardzr，所述Hf存儲在NrX 1向量g中，即S = Ardzr,其中，信道矩陣
.接收端對向量g進行歸一化，即
*并將g返回至發(fā)送端；
[0057] S35、發(fā)送波束成形向量訓練，具體如下：
[0化引S35-1、接收端連續(xù)發(fā)送NmrD次S34-3所述向量.運至發(fā)送端，發(fā)送端在接收過程中使 用ClV的列作為波束成形加權合并向量，發(fā)送端得菌
，其中，叫表示第k次迭 代發(fā)送端的加性高斯白噪聲向量：
；
[0059] S35-2、發(fā)送端使用稀疏信號恢復算法計算出表示接收信號到達角在Sl所述字典 矩陣Atd中的位置的稀疏向量ZT，其中，ZT是一個M X 1的列向量，M表不字典Atd的長度，zt中有 K個非零元素，K<<M;
[0060] S35-3、
所述Hfi存儲在化Xl向量f中，即f=Atdzt,接收端對向量g進行 歸一化，即
，并將f返回至發(fā)送端；
[0061] S4、迭代過程，具體如下：
[0062] S41、分別定義此過程中的發(fā)送端和接收端的測量次數(shù)Nmr，Nmt;
[0063] S42、找到S24-2，S25-2中K個非零元豪的仿晉所對欣的佑底.并檐K個佑底放入勞個 相位中找到與之最近的相位，最后得到相位 ' -- ^
_ 將其轉(zhuǎn)置即為發(fā)送端和接收端的測量矩陣，其中，1 旁個相位是將~31進行勞個量化；
[0064] S43、接收波束成形向量訓練，具體如下:發(fā)送端連續(xù)發(fā)送Nmt次向量f至接收端，接 收端接收過程中使用Or的列作為波束成形加權合并向量，接收端得到r= OrH化f+nR)，接 收端使用最小二乘法計算出系數(shù)hR=(?RARrlr，并求得V = ARhR,并將V放入碼本中使用稀 疏信號恢復算法進行估計，接收端對估計后的向量V進行歸一化，即
1并將^返回至發(fā) 送端；
[00化]S44、發(fā)送波束成形向量訓練，具體如下:接收端連續(xù)發(fā)送Nmr次向量；至發(fā)送端，發(fā) 送端接收過程中使用Ot的列作為波束成形加權合并向量，接收端得到
，接 收端使用最小二乘法計算出系數(shù)hT=( OtAtTH,并求得f = AtIit,并將f放入碼本中使用稀 疏信號恢復算法進行估計，接收端對估計后的向量f進行歸一化，即
'并將不返回至發(fā) 送端，即回到S33進行迭代；
[0066] S5、最后將迭代后得到的V，巧俞出即可。
【主權項】
1. 一種在毫米波預編碼系統(tǒng)中的迭代波束成形方法，其特征在于，包括如下步驟： S1、利用稀疏多徑信道的幾何模型進行稀疏建模，將與信道關聯(lián)的接收信號的估計問 題表示成稀疏信號的恢復問題，定義接收端字典矩陣定義發(fā)送端字典矩陣其中，N 表示接收端字典長度，Μ表示接收端字典長度； S 2、進行角度量化碼本的建立，接收端碼本為4s (Α ) = ["Μ拘)、^(0,)，…，"es(馬)]，發(fā) 射端碼本為4s )二On'W))，"。'均。町咕。，其中病'三 2疋"/巧，0,' = 2τΓν/辦，《 = 0，].，...，辦-1，v = 〇a，...，灰-1，巧為 碼本大小，Ντ為發(fā)送天線數(shù)目，Nr為接收天線數(shù)目； S3、初始階段處理，具體如下： 531、 發(fā)送端生成一個ΝτΧΙ向量[1，0,0，-'，0^并進行歸一化作為初始向量，并放入碼 本中使用稀疏信號恢復算法估計得到初始向量f; 532、 分別定義此過程中的發(fā)送端和接收端的測量次數(shù)^11'<\ 533、 在0個隨機矩陣中選取發(fā)送端最優(yōu)測量矩陣φΛ選取接收端的最優(yōu)測量矩陣ΦιΛ 其中，0為不為零的自然數(shù)，選取發(fā)送端最優(yōu)測量矩陣Φτ呀日選取接收端的最優(yōu)測量矩陣 OrO為經(jīng)驗判斷過程； 534、 接收波束成形向量訓練，具體如下： S34-1、發(fā)送端連續(xù)發(fā)送NmtD次向量f至接收端，接收端接收過程中使用OrD的列作為波 束成形加權合并向量，接收端得到r = ?rtHf + nRj，其中，郵表示接收端的加性高斯白噪聲 向量，Ug ~ 餅'(〇,燈; S34-2、接收端使用稀疏信號恢復算法計算出表示接收信號到達角在S1所述字典矩陣 Ard中的位置的稀疏向量ZR，其中，ZR是一個N X 1的列向量，N表示字典Ard的長度，ZR中有K個 非零元素，K<<N; S34-3、Hf >Ardzr，所述Hf存儲在Nr X 1向量g中，即g = Ardzr，其中，信道矩陣Η e e'一、，接 收端對向量g進行歸一化，即^ '并將i返回至發(fā)送端； S35、發(fā)送波束成形向量訓練，具體如下： S35-1、接收端連續(xù)發(fā)送NmrD次S34-3所述向量g至發(fā)送端，發(fā)送端在接收過程中使用 巫了*^的列作為波束成形加權合并向量，發(fā)送端得到* = 3??8^11^運^1^；)，其中，叫表示第4次迭代 發(fā)送端的加性高斯白噪聲向量，^'(η.〇·^?、）； S35-2、發(fā)送端使用稀疏信號恢復算法計算出表示接收信號到達角在SI所述字典矩陣 Atd中的位置的稀疏向量ZT，其中，ZT是一個Μ X 1的列向量，Μ表示字典Atd的長度，ZT中有K個 非零元素，K<<M; S35-3、H.T.g9:ATuZ.T :，:所述iTg存儲在ΝτΧ 1向量帥，即f=Atdzt，接收端對向量g進行歸一 化，即并將Γ返回至發(fā)送端； 54、 迭代過程，具體如下： 541、 分別定義此過程中的發(fā)送端和接收端的測量次數(shù)Nmr，Nmt; 542、 找到S24-2，S25-2中Κ個非零元素的位置所對應的角度，并將Κ個角度放入衣個相位 中找到與之最近的相位，最后得到相位谷=巧,，4，...冬_1]，名=柄成...是_1]，4<=<^"，年=八將其 轉(zhuǎn)置即為發(fā)送端和接收端的測量矩陣，其中，f個相位是將-η~η進行勞個量化； 543、 接收波束成形向量訓練，具體如下:發(fā)送端連續(xù)發(fā)送Nmt次向量f至接收端，接收端 接收過程中使用Φκ的列作為波束成形加權合并向量，接收端得到r=〇RH化f+nR)，接收端 使用最小二乘法計算出系數(shù)hR=(&RARrlr，并求得V = ARhR，并將V放入碼本中使用稀疏信 號恢復算法進行估計，接收端對估計后的向量V進行歸一化，即^ = ^，并將心返回至發(fā)送端； 544、 發(fā)送波束成形向量訓練，具體如下:接收端連續(xù)發(fā)送Nmr次向量；至發(fā)送端，發(fā)送端 接收過程中使用Φτ的列作為波束成形加權合并向量，接收端得到，接收端 使用最小二乘法計算出系數(shù)hT = ( Φ τΑτ尸t，并求得f = AThT，并將f放入碼本中使用稀疏信 號恢復算法進行估計，接收端對估計后的向量f進行歸一化，即7 = 并將7返回至發(fā)送 端，即回到S33進行迭代； 55、 最后將迭代后得到的V，巧俞出即可。2.根據(jù)權利要求1所述的額一種在毫米波預編碼系統(tǒng)中的迭代波束成形方法，其特征 在于：S33所述0 = 10000。
【文檔編號】H04B7/06GK105846879SQ201610439487
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月20日
【發(fā)明人】婁念念, 成先濤
【申請人】電子科技大學