基于动态连接结构的混合预编码方法及MIMO系统与流程

基于动态连接结构的混合预编码方法及mimo系统
技术领域
1.本发明涉及基于动态连接结构的混合预编码方法及mimo系统，属于无线通信技术领域。


背景技术：

2.作为第五代移动通信技术的关键技术之一，毫米波大规模mimo技术具有高数据传输速率、高可靠性的显著优势。传统的mimo系统中，发送端通过数字预编码技术预先消除各数据流之间的部分或全部干扰，获得更好的频谱效率性能。但针对大规模mimo系统，天线阵列规模大幅度增加，若采用传统全数字预编码技术，则需要大量的射频链，增加了硬件设计难度和设计成本。研究者将由移相器(analog phase shifter，aps)实现的模拟预编码技术应用到大规模mimo系统中，提出了将低维数字预编码技术和高维模拟预编码技术相结合的混合预编码结构，在减少射频链路硬件损耗的同时能够充分利用大规模天线阵列带来的增益。
3.混合预编码结构可分为全连接(full-connected architecture，fc)和子连接(sub-connected architecture，sc)两种结构。在全连接结构中，每个射频链通过大量的aps实现与所有天线的连接，以获得全部波束成形增益，实现与最佳无约束预编码(optimal unconstrained algorithm，opt)近似的频谱效率性能，该方案硬件功耗很高。在子连接结构中，全部天线被分为多个天线集，每个射频链仅与一个固定的天线集相连，虽然该结构所需aps数量减少，降低了硬件功耗，但牺牲了一定的系统性能。
4.结合两种结构的优势，有学者通过设计连接结构及相适应的混合预编码算法，以更少的aps实现与全连接结构相同的频谱效率性能，从而降低了硬件功率消耗，但目前的算法仅适用于某种或某一类特定结构，因此需要进一步设计更具灵活性的混合预编码结构以适应大规模mimo信道状态，并设计可应用于多种结构中的混合预编码算法，提高系统频谱效率性能，从而平衡系统功率消耗与频率效率性能。


技术实现要素：

5.为了解决目前毫米波大规模mimo系统的预编码设计过程中，对于混合预编码连接结构的功耗高及频谱效率性能低的问题，本发明提供了一种基于动态连接结构的mimo混合预编码方法，所述mimo系统中，在发射端，包含ns个数据流的发射信号经数字预编码处理后，通过条射频链传输至由开关连接网络和移相器网络构成的模拟预编码模块进行模拟预编码，所述开关连接网络用于在每个射频链与每根发射天线间设置一个开关，以控制射频链与天线间的连接状态；
6.经模拟预编码处理后，将数据流映射到n
t
根发射天线上，并发送至加噪信道进行数据传输，接收端通过nr根接收天线接收数据，经混合合并处理得到接收信号r，实现多路径的数据流传输；
7.表示模拟预编码矩阵，为移相器网络矩阵，满足恒模约束条件约束条件表示开关连接矩阵，其中f
sw
(i,j)＝1或0分别表示开关的闭合或打开状态，即第j个射频链与第i根天线相连或不相连，表示数字预编码矩阵，总发送功率满足数字预编码矩阵，总发送功率满足为信道噪声矢量，是噪声功率；
8.所述方法包括如下步骤：
9.步骤一：给定所述开关连接网络矩阵f
sw
，将最大化系统频谱效率问题转化为对模拟预编码矩阵f
rf
的优化；
10.步骤二：采用交替元素优化算法逐列优化所述模拟预编码矩阵f
rf
中非零项的相位，实现模拟预编码矩阵f
rf
的更新；
11.步骤三：对等效信道进行奇异值分解，其中，表示信道矩阵，w
opt
是最优合并矩阵，所述数字预编码矩阵f
bb
由右奇异值矩阵得到；
12.步骤四：根据所述模拟预编码矩阵f
rf
和公式f
rf
＝f
ps
⊙fsw
更新所述移相器网络矩阵f
ps
；
13.步骤五：设定每个射频链与m根发射天线相连，采用动态索引选择算法配置所述开关连接矩阵f
sw
；
14.步骤六：重复执行步骤二至步骤四，实现模拟预编码矩阵f
rf
、数字预编码矩阵f
bb
、移相器网络矩阵f
ps
的更新；
15.步骤七：对于目标频谱效率r
t
，对m不同取值情况下，重复上述步骤，选择使得系统的频谱效率r≥r
t
的最小m，从而实现系统功耗的降低。
16.可选的，所述步骤一包括：
17.所述接收信号r为：
[0018][0019]
其中，ρ为平均发射功率，表示信道矩阵，w
opt
是最优合并矩阵，通过信道矩阵的奇异值分解h＝uσvh得到，即w
opt
＝u(:,1:ns)；
[0020]
将高斯信号作为发射信号s，则系统频谱效率为：
[0021][0022]
式中为噪声协方差矩阵；
[0023]
给定开关连接矩阵f
sw
，当数字预编码矩阵f
bb
由等效信道奇异值分解得到时，问题进一步转化为求解：
[0024][0025]
其中，s
j,m
表示第m根发射天线与第j个射频链连接；
[0026]
求解公式(3)：
[0027][0028]
其中，fj表示所述模拟预编码矩阵f
rf
的第j列，表示除fj之外的剩余列，且有之外的剩余列，且有ξ为极小值。
[0029]
可选的，所述步骤二包括：
[0030]
令为最大化公式(4)式第二项，则有：
[0031][0032]
从公式(5)可以看出，若更新f
rf
(s
j,m
,j)，仅前两项与f
rf
(s
j,m
,j)有关，第三项不涉及f
rf
(s
j,m
,j)，第四项为一个等于的常量，故最大化式(5)可转化为对前两项的最大化，f
rf
(s
j,m
,j)相位最优解为：
[0033][0034]
其中，是f
rf
(s
j,m
,j)的相位，即fj中其他非零量相位更新方法相同，同理优化模拟预编码矩阵f
rf
所有列向量。
[0035]
可选的，所述步骤五包括：
[0036]
设每根射频链与m根发射天线相连，则开关连接矩阵f
sw
可由公式(7)设计：
[0037][0038]
其中，f
opt
＝v(:,1:ns)，v为信道矩阵h的右奇异值矩阵；
[0039]
将公式(7)进一步转化为：
[0040][0041][0042][0043]
其中，表示复数的实部，tr(
·
)表示矩阵的迹，表示开关连接矩阵第j列的l0范数；
[0044]
令则有：
[0045][0046]
其中，分别表示γ、f
ps
、f
sw
的第j列；则公式(7)中f
sw
的优化问题为：
[0047]
[0048][0049]wij
、γ
ij
、p
ij
分别表示wj、γj、pj的第i个元素；
[0050]
为获得足够大的波束成形增益，进一步设计开关矩阵，确保每根发射天线至少与一个射频链相连；
[0051]
针对第j个射频链，降序排列i的顺序构成kj；为使所有发射天线与一个或多个射频链连接，首先从kj中选择前个索引i构成sj，且j
′
≠j，从kj中删除已选索引，从剩余kj中另选个索引i构成sj，根据所得sj，更新开关连接矩阵f
sw
。
[0052]
可选的，所述步骤七中还包括：
[0053]
系统总功耗为：
[0054][0055]
其中，p
bb
、p
rf
、p
ps
、p
sw
分别表示数字预编码、每个射频链、移相器、开关的功耗；给定目标频谱效率r
t
，对于每个射频链所连接的移相器数量m的不同，计算实现的频谱效率r，使r≥r
t
，选择最小的m取值。
[0056]
可选的，所述方法中收发端射频链数分别满足
[0057]
本发明还提供一种基于动态连接结构的毫米波大规模mimo系统，包括发射端、信道和接收端，其特征在于，所述发射端包括：依次连接的数字预编码模块、射频链模块、模拟预编码模块和发射天线阵列；
[0058]
所述模拟预编码模块采用动态连接dpc结构，包括：相互连接的开关连接网络和移相器网络；所述开关连接网络用于在每个射频链与每根发射天线间设置一个开关，以控制射频链与发射天线间的连接状态；
[0059]
发射信号经过所述数字预编码模块进行数字预编码处理后，由所述射频链模块传输至所述模拟预编码模块，经模拟预编码处理后，发送数据流映射到所述发射天线阵列进行信号发射。
[0060]
可选的，在所述发射端有n
t
根发射天线，条射频链，接收端有nr根接收天线，条射频链，传输数据流数为ns，收发端射频链数分别满足，收发端射频链数分别满足为发射信号向量，且满足为发射信号向量，且满足表示模拟预编码矩阵，为移相器网络矩阵，满足恒模约束条件为移相器网络矩阵，满足恒模约束条件表示开关连接网络矩阵，其中f
sw
(i,j)＝1或0分别表示开关的闭合或打开状态，即第j个射频链与第i根天线相连或不相连，表示数字预编码矩阵，总发送功率满足w
opt
表示最优合并矩阵；为信道
噪声矢量，是噪声功率，为信道矩阵，ρ表示平均发射功率，m表示每个射频链均与m根天线相连；
[0061]
所述发射端预编码方法采用交替元素优化和动态索引选择算法优化设计所述模拟预编码矩阵f
rf
、移相器网络矩阵f
ps
、数字预编码矩阵f
bb
、开关连接网络矩阵f
sw
，从而实现动态网络连接结构的优化。
[0062]
可选的，所述优化模拟预编码矩阵f
rf
的过程包括：
[0063]
采用动态连接dpc结构时，接收信号为r，
[0064][0065]
其中，ρ为发射功率，h表示信道矩阵，w
opt
是最优合并矩阵，可通过信道矩阵的奇异值分解h＝uσvh得到，即w
opt
＝u(:,1:ns)。将高斯信号作为发射信号s，则系统频谱效率为：
[0066][0067]
其中，为噪声协方差矩阵；
[0068]
给定所述开关连接矩阵f
sw
，当所述数字预编码矩阵f
bb
由等效信道奇异值分解得到时，问题进一步转化为：
[0069][0070]
其中，sj＝{s
j,m
},m＝1,2km，s
j,m
表示第m根发射天线与第j个射频链连接，求解公式(14)：
[0071][0072]
其中，fj表示模拟预编码矩阵f
rf
的第j列，表示除fj之外的剩余列，且有之外的剩余列，且有ξ为极小值；
[0073]
采用交替元素优化算法逐列优化模拟预编码矩阵f
rf
中非零项的相位，实现模拟预编码矩阵f
rf
的更新：
[0074]
令为最大化公式(15)的第二项，则有：
[0075][0076]
从公式(16)可以看出，若更新f
rf
(s
j,m
,j)，仅前两项与f
rf
(s
j,m
,j)有关，第三项不涉及f
rf
(s
j,m
,j)，第四项为一个等于的常量；故最大化公式(16)转化为对前两项的最大化，f
rf
(s
j,m
,j)的相位最优解为：
[0077][0078]
其中，是f
rf
(s
j,m
,j)的相位，即fj中其他非零量相位更新类似，同理可优化模拟预编码矩阵f
rf
所有列向量。
[0079]
可选的，所述数字预编码矩阵f
bb
和所述移相器网络矩阵f
ps
的配置方法包括：
[0080]
对等效信道进行奇异值分解，所述数字预编码矩阵f
bb
由右奇异值矩阵得到；
[0081]
根据所述模拟预编码矩阵f
rf
，由f
rf
＝f
ps
⊙fsw
更新所述移相器网络矩阵f
ps
；
[0082]
所述开关连接矩阵f
sw
的配置方法包括：
[0083]
设定每个射频链与m根发射天线相连，采用动态索引选择算法配置开关连接矩阵f
sw
；
[0084]
设每根射频链与m根发射天线相连，则开关连接矩阵f
sw
可由公式(18)设计：
[0085][0086]
其中，f
opt
＝v(:,1:ns)，v为信道矩阵h的右奇异值矩阵；
[0087]
将公式(18)进一步转化为：
[0088]
[0089][0090][0091]
其中，表示复数的实部，tr(
·
)表示矩阵的迹，表示开关连接矩阵第j列的l0范数。令则有：
[0092][0093]
其中，分别表示γ、f
ps
、f
sw
的第j列；
[0094]
则f
sw
的优化问题为：
[0095][0096][0097]wij
、γ
ij
、p
ij
分别表示wj、γj、pj的第i个元素；
[0098]
为获得足够大的波束成形增益，进一步设计开关矩阵，确保每根发射天线至少与一个射频链相连；针对第j个射频链，降序排列i的顺序构成kj；为使所有发射天线与一个或多个射频链连接，首先从kj中选择前个索引i构成sj，且j
′
≠j，从kj中删除已选索引，从剩余kj中另选个索引i构成sj，根据所得sj，更新开关连接矩阵f
sw
。
[0099]
本发明有益效果是：
[0100]
本发明的混合预编码设计方法，基于动态连接结构，将原始预编码设计问题转化为开关连接网络配置和混合预编码矩阵设计两个子问题，联合采用交替元素优化和动态索引选择算法优化设计模拟预编码矩阵、移相器网络矩阵、数字预编码矩阵、开关连接网络矩
阵，从而实现动态网络连接结构的优化，减少了aps的数量以降低功耗；并且实践结果证明，本发明使系统的频谱效率性能得到了提高，在大规模mimo系统中可以获得较好的系统性能。
附图说明
[0101]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0102]
图1是根据本发明的毫米波大规模mimo系统中的动态连接混合预编码结构示意图；
[0103]
图2是本发明在大规模mimo系统中，n
t
＝nr＝64，ns＝4和2情况下，比较最佳无约束预编码(opt)、交替优化算法(ao)、逐元素优化算法(ebe)、向量化算法(vec)以及本发明技术方法(aoebe)的频谱效率随信噪比变化情况示意图。
[0104]
图3是本发明在大规模mimo系统中，n
t
＝nr＝64，ns＝4情况下，采用本发明包含的dpc结构，本发明所包含方法(aoebe-dis)实现的频谱效率性能随aps数量m变化情况示意图；
[0105]
对比了不同连接结构下，本发明方法与ao、vec算法的频谱效率；其中，包含fc、sc、动态子连接结构(daosa)。
[0106]
图4是本发明比较了不同目标频谱效率情况下，本发明包含的dpc结构与fc结构功率消耗对比图。
具体实施方式
[0107]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0108]
实施例一：
[0109]
本实施例提供一种基于动态连接结构的毫米波大规模mimo混合预编码方法，所述毫米波大规模mimo系统中，在发射端，包含ns个数据流的发射信号经数字预编码处理后，通过条射频链传输至由开关连接网络和移相器网络构成的模拟预编码模块进行模拟预编码，所述开关连接网络用于在每个射频链与每根发射天线间设置一个开关，以控制射频链与天线间的连接状态；
[0110]
经模拟预编码处理后，将数据流映射到n
t
根发射天线上，并发送至加噪信道进行数据传输，接收端通过nr根接收天线接收数据，经混合合并处理得到接收信号r，实现多路径的数据流传输；
[0111]
表示模拟预编码矩阵，为移相器网络矩阵，满足恒模约束条件约束条件表示开关连接矩阵，其中f
sw
(i,j)＝1或0分别表
示开关的闭合或打开状态，即第j个射频链与第i根天线相连或不相连，表示数字预编码矩阵，总发送功率满足数字预编码矩阵，总发送功率满足为信道噪声矢量，是噪声功率；
[0112]
所述方法包括如下步骤：
[0113]
步骤一：给定所述开关连接网络矩阵f
sw
，将最大化系统频谱效率问题转化为对模拟预编码矩阵f
rf
的优化；
[0114]
步骤二：采用交替元素优化算法逐列优化所述模拟预编码矩阵f
rf
中非零项的相位，实现模拟预编码矩阵f
rf
的更新；
[0115]
步骤三：对等效信道进行奇异值分解，其中，表示信道矩阵，w
opt
是最优合并矩阵，所述数字预编码矩阵f
bb
由右奇异值矩阵得到；
[0116]
步骤四：根据所述模拟预编码矩阵f
rf
和公式f
rf
＝f
ps
⊙fsw
更新所述移相器网络矩阵f
ps
；
[0117]
步骤五：设定每个射频链与m根发射天线相连，采用动态索引选择算法配置所述开关连接矩阵f
sw
；
[0118]
步骤六：重复执行步骤二至步骤四，实现模拟预编码矩阵f
rf
、数字预编码矩阵f
bb
、移相器网络矩阵f
ps
的更新；
[0119]
步骤七：对于目标频谱效率r
t
，对m不同取值情况下，重复上述步骤，选择使得系统的频谱效率r≥r
t
的最小m，从而实现系统功耗的降低。
[0120]
实施例二：
[0121]
本实施例提供本实施例提供一种基于动态连接结构的毫米波大规模mimo混合预编码方法，结合图1所示的动态连接混合预编码结构示意图，所述毫米波大规模mimo系统中，在发射端，包含ns数据流的发射信号s经数字预编码处理后，传输至由条射频链、aps和射频相加器构成的模拟预编码模块，其中，模拟预编码采用dpc结构，每个射频链与每根天线间设置一个开关，以控制射频链与天线间的连接状态。经模拟预编码处理后，将数据流映射到n
t
根发射天线上，并发送至加噪信道进行数据传输，接收端通过nr接收天线接收数据，经混合合并处理后，得到接收信号r，实现多路径的数据流传输。
[0122]
假设毫米波大规模mimo系统中，发射端有n
t
根发射天线，条射频链，接收端有nr根接收天线，条射频链，传输数据流数为ns。为保证复用增益，实现多路径数据流通信，收发端射频链数分别满足收发端射频链数分别满足为发射信号向量，且满足模拟预编码由移相器网络和开关连接网络组成，表示模拟预编码矩阵，为移相器网络矩阵，满足恒模约束条件为移相器网络矩阵，满足恒模约束条件表示开关连接矩阵，其中f
sw
(i,j)＝1或0分别表示开关的闭合或打开状态，即第j个射频链与第i根天线相连或不相连，表示数字预编码矩阵，总发送功
率满足w
opt
表示最优合并矩阵；为信道噪声矢量，是噪声功率，为信道矩阵，ρ表示平均发射功率，m表示每个射频链均与m根天线相连。
[0123]
根据本实施例，并结合图1所示，所述混合预编码设计架构包括以下具体步骤：
[0124]
步骤一：在给定开关连接网络矩阵f
sw
情况下，将最大化系统频谱效率问题转化为对模拟预编码矩阵f
rf
的优化。
[0125]
采用动态连接dpc结构时，接收信号为r，
[0126][0127]
其中，ρ为发射功率，h表示信道矩阵，w
opt
是最优合并矩阵，可通过信道矩阵的奇异值分解h＝uσvh得到，即w
opt
＝u(:,1:ns)。将高斯信号作为发射信号s，则系统频谱效率为：
[0128][0129]
式中为噪声协方差矩阵。由式(24)可知，最大化频谱效率r，只需最大化式(24)中的第二项。
[0130]
给定开关连接矩阵f
sw
，当数字预编码矩阵f
bb
由等效信道奇异值分解得到时，问题进一步转化为：
[0131][0132]
其中，sj＝{s
j,m
},m＝1,2k m，s
j,m
表示第m根发射天线与第j个射频链连接。
[0133]
为解决上述问题，求解式(25)：
[0134][0135]
其中，fj表示模拟预编码矩阵f
rf
的第j列，表示除fj之外的剩余列，且有之外的剩余列，且有ξ为极小值。
[0136]
步骤二：采用交替元素优化算法逐列优化模拟预编码矩阵f
rf
中非零项的相位，实现模拟预编码矩阵f
rf
的更新。
[0137]
令为最大化(4)式第二项，则有：
[0138][0139]
从式(5)可以看出，若更新f
rf
(s
j,m
,j)，仅前两项与f
rf
(s
j,m
,j)有关，第三项不涉及f
rf
(s
j,m
,j)，第四项为一个等于的常量。故最大化式(5)可转化为对前两项的最大化，即：
[0140][0141]
其中，是f
rf
(s
j,m
,j)的相位，即fj中其他非零量相位更新类似，同理可优化模拟预编码矩阵f
rf
所有列向量。
[0142]
步骤三：对等效信道进行奇异值分解，数字预编码矩阵f
bb
可由右奇异值矩阵得到。
[0143]
步骤四：根据所得模拟预编码矩阵f
rf
，由f
rf
＝f
ps e f
sw
更新移相器网络矩阵f
ps
。
[0144]
步骤五：设定每个射频链与m根发射天线相连，采用动态索引选择算法配置开关连接矩阵f
sw
；
[0145]
设每根射频链与m根发射天线相连，则开关连接矩阵f
sw
可由式(29)设计：
[0146][0147]
其中，f
opt
＝v(:,1:ns)，v为信道矩阵h的右奇异值矩阵。将问题(29)进一步转化为：
[0148][0149]
[0150][0151]
其中，表示复数的实部，tr(
·
)表示矩阵的迹，表示开关连接矩阵第j列的l0范数。令则有：
[0152][0153]
其中，分别表示γ、f
ps
、f
sw
的第j列。则问题(29)中f
sw
的优化问题为：
[0154][0155][0156]wij
、γ
ij
、p
ij
分别表示wj、γj、pj的第i个元素。
[0157]
为获得足够大的波束成形增益，进一步设计开关矩阵，确保每根发射天线至少与一个射频链相连。针对第j个射频链，降序排列i的顺序构成kj。为使所有发射天线与一个或多个射频链连接，首先从kj中选择前个索引i构成sj，且j
′
≠j，从kj中删除已选索引，从剩余kj中另选个索引i构成sj，根据所得sj，更新开关连接矩阵f
sw
。
[0158]
步骤六：重复执行步骤二至步骤四，实现模拟预编码矩阵f
rf
、数字预编码矩阵f
bb
、移相器网络矩阵f
ps
的更新。
[0159]
步骤七：对于目标频谱效率r
t
，对m不同取值情况下，重复上述步骤，选择使得系统的频谱效率r≥r
t
的最小m，从而实现系统功耗的降低。
[0160]
系统总功耗为：
[0161]
[0162]
其中，p
bb
、p
rf
、p
ps
、p
sw
分别表示数字预编码功耗、每个射频链、aps、开关的功耗。给定目标频谱效率，对于不同取值的m采用上述步骤，计算实现的频谱效率，使r≥r
t
，选择最小的m取值。
[0163]
实施例三：
[0164]
本实施例提供一种基于动态连接结构的毫米波大规模mimo系统，包括发射端、信道和接收端，其特征在于，所述发射端包括：依次连接的数字预编码模块、射频链模块、模拟预编码模块和发射天线阵列；
[0165]
所述模拟预编码模块采用动态连接dpc结构，包括：相互连接的开关连接网络和移相器网络；所述开关连接网络用于在每个射频链与每根发射天线间设置一个开关，以控制射频链与发射天线间的连接状态；
[0166]
发射信号经过所述数字预编码模块进行数字预编码处理后，由所述射频链模块传输至所述模拟预编码模块，经模拟预编码处理后，发送数据流映射到所述发射天线阵列进行信号发射。
[0167]
在发射端有n
t
根发射天线，条射频链，接收端有nr根接收天线，条射频链，传输数据流数为ns，收发端射频链数分别满足
[0168]
为发射信号向量，且满足为发射信号向量，且满足表示模拟预编码矩阵，为移相器网络矩阵，满足恒模约束条件为移相器网络矩阵，满足恒模约束条件表示开关连接网络矩阵，其中f
sw
(i,j)＝1或0分别表示开关的闭合或打开状态，即第j个射频链与第i根天线相连或不相连，表示数字预编码矩阵，总发送功率满足w
opt
表示最优合并矩阵；为信道噪声矢量，是噪声功率，为信道矩阵，ρ表示平均发射功率，m表示每个射频链均与m根天线相连；
[0169]
所述发射端预编码方法采用交替元素优化和动态索引选择算法优化设计所述模拟预编码矩阵f
rf
、移相器网络矩阵f
ps
、数字预编码矩阵f
bb
、开关连接网络矩阵f
sw
，从而实现动态网络连接结构的优化。
[0170]
优化模拟预编码矩阵f
rf
的过程包括：
[0171]
采用动态连接dpc结构时，接收信号为r，
[0172][0173]
其中，ρ为发射功率，h表示信道矩阵，w
opt
是最优合并矩阵，可通过信道矩阵的奇异值分解h＝uσvh得到，即w
opt
＝u(:,1:ns)。将高斯信号作为发射信号s，则系统频谱效率为：
[0174][0175]
其中，为噪声协方差矩阵；
[0176]
给定所述开关连接矩阵f
sw
，当所述数字预编码矩阵f
bb
由等效信道奇异值分解得到时，问题进一步转化为：
[0177][0178]
其中，sj＝{s
j,m
},m＝1,2km，s
j,m
表示第m根发射天线与第j个射频链连接，求解公式(36)：
[0179][0180]
其中，fj表示模拟预编码矩阵f
rf
的第j列，表示除fj之外的剩余列，且有之外的剩余列，且有ξ为极小值；
[0181]
采用交替元素优化算法逐列优化模拟预编码矩阵f
rf
中非零项的相位，实现模拟预编码矩阵f
rf
的更新：
[0182]
令为最大化公式(15)的第二项，则有：
[0183][0184]
从公式(38)可以看出，若更新f
rf
(s
j,m
,j)，仅前两项与f
rf
(s
j,m
,j)有关，第三项不
涉及f
rf
(s
j,m
,j)，第四项为一个等于的常量；故最大化公式(38)转化为对前两项的最大化，f
rf
(s
j,m
,j)的相位最优解为：
[0185][0186]
其中，是f
rf
(s
j,m
,j)的相位，即fj中其他非零量相位更新类似，同理可优化模拟预编码矩阵f
rf
所有列向量。
[0187]
所述数字预编码矩阵f
bb
和所述移相器网络矩阵f
ps
的配置方法为：
[0188]
对等效信道进行奇异值分解，所述数字预编码矩阵f
bb
由右奇异值矩阵得到；
[0189]
根据所述模拟预编码矩阵f
rf
，由f
rf
＝f
ps
⊙fsw
更新所述移相器网络矩阵f
ps
；
[0190]
所述开关连接矩阵f
sw
的配置方法包括：
[0191]
设定每个射频链与m根发射天线相连，采用动态索引选择算法配置开关连接矩阵f
sw
；
[0192]
设每根射频链与m根发射天线相连，则开关连接矩阵f
sw
可由公式(40)设计：
[0193][0194]
其中，f
opt
＝v(:,1:ns)，v为信道矩阵h的右奇异值矩阵；
[0195]
将公式(40)进一步转化为：
[0196][0197][0198][0199]
其中，表示复数的实部，tr(
·
)表示矩阵的迹，表示开关连接矩阵第j列的l0范数。令则有：
[0200][0201]
其中，分别表示γ、f
ps
、f
sw
的第j列；
[0202]
则f
sw
的优化问题为：
[0203][0204][0205]wij
、γ
ij
、p
ij
分别表示wj、γj、pj的第i个元素；
[0206]
为获得足够大的波束成形增益，进一步设计开关矩阵，确保每根发射天线至少与一个射频链相连；针对第j个射频链，降序排列i的顺序构成kj；为使所有发射天线与一个或多个射频链连接，首先从kj中选择前个索引i构成sj，且j
′
≠j，从kj中删除已选索引，从剩余kj中另选个索引i构成sj，根据所得sj，更新开关连接矩阵f
sw
。
[0207]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将利用一些最新预编码算法及结构与本发明所提出的方法作对比，展现基于动态连接结构的混合预编码方法在频谱效率与系统功耗性能方面的优越性。
[0208]
用来对比的预编码算法分别是最佳无约束预编码算法(opt)、交替优化算法(ao)、逐元素优化算法(ebe)、向量化算法(vec)。用来对比的连接结构分别是全连接(fc)、子连接(sc)、动态子连接结构(daosa)。
[0209]
其中，最佳无约束预编码算法是经典的预编码算法，在大规模mimo系统中，呈现出最优频谱效率性能。ao算法基于fc结构提出，采用梯度下降算法优化模拟预编码矩阵；ebe和vec算法均基于daosa结构提出，也可用于fc、sc结构，以上算法与最佳无约束预编码相比，未有明显的频谱效率性能损失。
[0210]
图2是本发明在大规模mimo系统中，n
t
＝nr＝64，ns＝4和2情况下，比
较最佳无约束预编码(opt)、交替优化算法(ao)、逐元素优化算法(ebe)、向量化算法(vec)以及本发明技术方法(aoebe)的频谱效率随信噪比变化情况示意图；
[0211]
如图2所示，随着信噪比的不断增加，上述算法的频谱效率均随之提高。当ns＝4，采用dpc(m＝64)，与ao算法相比，本发明频谱效率提升了0.59bps/hz；当ns＝2且m＝16时，与sc-ebe、daosa-ebe算法相比，本发明算法频谱效率分别提升了2.05bps/hz、0.64bps/hz。无论ns＝4或ns＝2，所提算法频谱效率都接近于opt算法。
[0212]
图3是本发明在大规模mimo系统中，n
t
＝nr＝64，ns＝4情况下，采用本发明包含的dpc结构，本发明所包含方法(aoebe-dis)实现的频谱效率性能随aps数量m变化情况；对比了不同连接结构下，本发明方法与ao、vec算法的频谱效率；其中，包含fc、sc、动态子连接结构(daosa)；
[0213]
由图3可知，随着移相器aps数量m的增加，采用本发明包含的dpc结构所实现的频谱效率随之提高，且当m＝64时，频谱效率逼近opt算法。将本发明包含方法用于fc、sc、daosa结构，相较于ebe、ao算法，本发明实现了频谱效率性能的提升，表明本发明适用于多种网络连接结构，具广泛应用性。
[0214]
图4是本发明比较了不同目标频谱效率情况下，本发明包含的dpc结构与fc结构功率消耗对比情况，由图4可以看出，在保证系统频谱效率的情况下，本发明包含的动态连接dpc结构能够显著减少系统功耗，实现了频谱效率和系统功耗性能之间的均衡。
[0215]
综上图2-4的结果可知，本发明提出的基于动态连接结构的混合预编码方法展现出较高的频谱效率及功耗性能优势，并且具有广泛的应用性，适应于多种连接结构，在fc、sc、daosa结构中，仍能实现较好的大规模mimo系统的频谱效率性能。
[0216]
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
[0217]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。