本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種多用戶(hù)大規(guī)模mimo混合預(yù)編碼能效優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

多輸入多輸出(multiple-inputmultiple-output，mimo)是一種在無(wú)線通信系統(tǒng)中采用多根天線收發(fā)數(shù)據(jù)的無(wú)線通信技術(shù)，它將所傳輸?shù)男畔⒔?jīng)過(guò)空時(shí)編碼形成多個(gè)子信息流，并由多根天線發(fā)射出去。大規(guī)模mimo技術(shù)在傳統(tǒng)mimo系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將收發(fā)天線增加到幾十甚至上百根。大規(guī)模mimo系統(tǒng)作為一種新的無(wú)線通信技術(shù)，保留了傳統(tǒng)mimo系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，大量增加天線數(shù)量，使得系統(tǒng)容量隨之大大增加，決定了大規(guī)模mimo系統(tǒng)具有很好的發(fā)展前景。

5g要求容量提升1000倍。為滿(mǎn)足容量需求，大規(guī)模mimo和毫米波已成為公認(rèn)的2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。但在大規(guī)模mimo和毫米波場(chǎng)景下，傳統(tǒng)的全數(shù)字預(yù)編碼需要大量的射頻鏈路，引入高昂的硬件成本和大量的能耗。在此背景下，為降低能耗和成本，分為基帶預(yù)編碼和射頻預(yù)編碼的混合預(yù)編碼，可以使用更少的射頻鏈路，成為很有前景的一項(xiàng)技術(shù)。與此同時(shí)，隨著天線數(shù)量增多，帶寬擴(kuò)大，用于線性處理等計(jì)算功能的功率顯著增加：對(duì)于微小區(qū)基站，主要執(zhí)行計(jì)算功能的基帶所消耗的功率占總功率的40％以上，即使是宏基站，也占10％以上。

因此，在大規(guī)模mimo場(chǎng)景下，如何有效地提高能量效率是業(yè)界亟需解決的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明的目的在于提供了一種多用戶(hù)大規(guī)模mimo混合預(yù)編碼能效優(yōu)化方法，由此解決現(xiàn)有的大規(guī)模mimo場(chǎng)景下的能量效率較低的技術(shù)問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種多用戶(hù)大規(guī)模mimo混合預(yù)編碼能效優(yōu)化方法，包括如下步驟：

s1、獲取大規(guī)模mimo基站無(wú)約束條件時(shí)的能效并由求取最大化時(shí)得到無(wú)約束預(yù)編碼矩陣b^opt，其中，b＝brfbbb，表示nt×k的復(fù)矩陣，表示無(wú)約束條件時(shí)基站總傳輸速率，表示無(wú)約束條件時(shí)基站總功率，bbb表示nrf×k的基帶預(yù)編碼復(fù)矩陣，brf表示nt×nrf的射頻預(yù)編碼復(fù)矩陣，且brf中每個(gè)元素的幅值均為1，k表示基站的基帶數(shù)據(jù)流，nrf表示射頻鏈路數(shù)量，nt表示天線數(shù)量，無(wú)約束條件時(shí)的能效為大規(guī)模mimo基站能效的理論上限；

s2、迭代求解得到基帶預(yù)編碼復(fù)矩陣bbb以及射頻預(yù)編碼復(fù)矩陣brf，使得brfbbb最大化逼近b^opt，從而使得基站能效最大化逼近理論上限

優(yōu)選地，步驟s1具體包括如下子步驟：

s1.1、初始化i＝0，并對(duì)b⁽ⁱ⁾隨機(jī)賦值，其中，上標(biāo)⁽ⁱ⁾表示第i次迭代；

s1.2、由得到由

得到其中，δj表示第j個(gè)用戶(hù)接受到的干擾信號(hào)功率，表示無(wú)約束條件下第m個(gè)用戶(hù)能夠達(dá)到的速率，表示無(wú)約束條件時(shí)基站總功率，w表示帶寬，hj表示基站到第j個(gè)用戶(hù)的下行信道，bj表示b的第j列，lbs表示基站計(jì)算效率，pcod表示信道編碼的效率，表示噪聲的方差，上標(biāo)^h表示共軛裝置，α為功率放大器的效率，表示nt×nt的單位矩陣；

s1.3、由得到在不同的迭代步長(zhǎng)μ取值時(shí)的temp_b^(i+1)(μ)，其中，k＝1...k，μ∈[0,1]，temp_bk為temp_b的第k列，temp_b為nt×k的復(fù)矩陣，上標(biāo)^(μ)表示迭代步長(zhǎng)取μ，上標(biāo)^-1表示求逆；

s1.4、對(duì)于不同μ取值時(shí)的temp_b^(i+1)(μ)，選取使基站能效最大的temp_b^(i+1)(μ)，并使得b⁽ⁱ⁺¹⁾＝temp_b^(i+1)(μ)；

s1.5、令i＝i+1，若||b⁽ⁱ⁺¹⁾-b⁽ⁱ⁾||f≥第一預(yù)設(shè)門(mén)限值，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟s1.2，否則得到使得最大化時(shí)的無(wú)約束預(yù)編碼矩陣b^opt＝b⁽ⁱ⁺¹⁾。

優(yōu)選地，步驟s2具體包括如下子步驟：

s2.1、初始化i＝0，并隨機(jī)初始化brf⁽ⁱ⁾；

s2.2、根據(jù)brf⁽ⁱ⁾計(jì)算得到bbb⁽ⁱ⁺¹⁾；

s2.3、由phase(brf(l,j))＝phase(b^opt(l,:)bbb(j,:)^h),1≤l≤nt,計(jì)算得到brf⁽ⁱ⁺¹⁾，其中，phase(x)表示對(duì)x取相位，x(l,j)表示矩陣x中第l行第j列的元素，x(l,:)示矩陣x中第l行的所有元素，表示向上取整；

s2.4、若||b^opt-brf⁽ⁱ⁺¹⁾bbb⁽ⁱ⁺¹⁾||f≤第二預(yù)設(shè)門(mén)限值，則令否則，i＝i+1，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟s2.2。

優(yōu)選地，步驟s2.2具體包括如下子步驟：

s2.2.1、對(duì)與b^opt分別進(jìn)行向量化得到xc與獲取ik與的克羅內(nèi)克積ζc，由向量xc的實(shí)部、虛部以及變量t構(gòu)成向量x，由向量的實(shí)部與虛部構(gòu)成向量b^opt，由向量ζc的實(shí)部與虛部構(gòu)成向量ζ，其中，t²＝1；

s2.2.2、求解得到的矩陣x即能夠得到其中，x＝xx^h，n＝2knrf+1，pmax表示最大發(fā)射功率限制，tr()為求矩陣的跡。

總體而言，本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，能夠取得下列有益效果：通過(guò)先松弛約束條件，迭代求得基站能效的理論上限。然后以最大逼近理論上限為目標(biāo)設(shè)計(jì)基帶預(yù)編碼矩陣和射頻預(yù)編碼矩陣。使用交替最小化的方法，迭代逼近理論上限。不僅可以顯著提高能量效率，也可以降低成本效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種大規(guī)模mimo混合預(yù)編碼系統(tǒng)圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種多用戶(hù)大規(guī)模mimo混合預(yù)編碼能效優(yōu)化方法的流程示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種仿真結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種大規(guī)模mimo混合預(yù)編碼系統(tǒng)圖，考慮單小區(qū)多用戶(hù)的大規(guī)模mimo系統(tǒng)。有k個(gè)活躍用戶(hù)，每個(gè)用戶(hù)都為單天線?；居衚個(gè)基帶數(shù)據(jù)流流入，配備有nrf根射頻鏈路，每根射頻鏈路鏈接一個(gè)天線子陣列?；竟灿衝t根天線，所以每個(gè)天線子陣列上有根天線。在本發(fā)明中，我們只考慮基站的下行鏈路，并在射頻預(yù)編碼采用具有工業(yè)應(yīng)用前景的子陣列結(jié)構(gòu)。

基站總傳輸速率rsum可以表示為：

其中，w是帶寬，是噪聲的方差。bbb是nrf×k的基帶預(yù)編碼復(fù)矩陣，brf是nt×nrf的射頻預(yù)編碼復(fù)矩陣。bbb,k表示bbb的第k列，hk表示第k個(gè)用戶(hù)的信道。上標(biāo)^h表示共軛轉(zhuǎn)置。

基站總功率ptotal可以表示為：

其中，α為功率放大器的效率，pshifter表示一個(gè)射頻移相器的功率，prf_per_chain是一個(gè)射頻鏈路的功率，u＝wc·tc表示相干塊，wc,tc分別表示相干帶寬和相干時(shí)間，τ是使導(dǎo)頻能夠正交的因子，lbs基站計(jì)算效率，pcod為信道編碼的效率，pfix表示基站固定功率。||||f表示f范數(shù)。

基站能效最大化的優(yōu)化問(wèn)題可以表示為：

其中，ηee(brf,bbb)表示基站能效，自變量有brf,bbb。表示x×y的復(fù)矩陣。s.t.表示約束條件。表示以為對(duì)角線子塊的對(duì)角陣。pmax表示最大發(fā)射功率限制，mi為的復(fù)列向量，mi中每個(gè)元素幅值為1。

如圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種多用戶(hù)大規(guī)模mimo混合預(yù)編碼能效優(yōu)化方法的流程示意圖，包括以下步驟：

s1、獲取大規(guī)模mimo基站無(wú)約束條件時(shí)的能效并由求取最大化時(shí)得到無(wú)約束預(yù)編碼矩陣b^opt，其中，b＝brfbbb，表示nt×k的復(fù)矩陣，表示無(wú)約束條件時(shí)基站總傳輸速率，表示無(wú)約束條件時(shí)基站總功率，bbb表示nrf×k的基帶預(yù)編碼復(fù)矩陣，brf表示nt×nrf的射頻預(yù)編碼復(fù)矩陣，brf中每個(gè)元素的幅值均為1，k表示基站的基帶數(shù)據(jù)流，nrf表示射頻鏈路數(shù)量，nt表示天線數(shù)量。因?yàn)樵瓋?yōu)化問(wèn)題為有約束條件的優(yōu)化問(wèn)題，松弛約束條件后，定義域擴(kuò)大，值域，即能效的取值范圍擴(kuò)大或不變，所以無(wú)約束條件時(shí)的能效為大規(guī)模mimo基站能效的理論上限；

其中，

其中，步驟s1具體包括如下子步驟：

s1.1、初始化i＝0，并對(duì)b⁽ⁱ⁾隨機(jī)賦值，其中，上標(biāo)⁽ⁱ⁾表示第i次迭代；

s1.2、由得到

由

得到其中，

w表示帶寬，hj表示基站到第j個(gè)用戶(hù)的下行信道，bj表示b的第j列，pshifter表示一個(gè)射頻移相器的功率，prf_per_chain表示一個(gè)射頻鏈路的功率，u＝wc·tc表示相干塊，wc,tc分別表示相干帶寬和相干時(shí)間，τ是使導(dǎo)頻能夠正交的因子，lbs表示基站計(jì)算效率，pcod表示信道編碼的效率，pfix表示基站固定功率，||||f表示f范數(shù)，表示噪聲的方差，上標(biāo)h表示共軛裝置，α為功率放大器的效率，表示nt×nt的單位矩陣，·符號(hào)表示標(biāo)量積，表示無(wú)約束條件下第m個(gè)用戶(hù)能夠達(dá)到的速率；

s1.3、由得到在不同的迭代步長(zhǎng)μ取值時(shí)的temp_b^(i+1)(μ)，其中，k＝1...k，μ∈[0,1]，temp_bk為temp_b的第k列，temp_b為nt×k的復(fù)矩陣，上標(biāo)^(μ)表示迭代步長(zhǎng)取μ，上標(biāo)-¹表示求逆；

其中，步驟s1.3的具體實(shí)現(xiàn)方式為：

在第一層循環(huán)中令在第二層循環(huán)中令k＝1:k，其中，μ表示迭代步長(zhǎng)，表示步長(zhǎng)取值間隔，x^(μ)表示在迭代步長(zhǎng)取μ時(shí)的變量x，上標(biāo)^-1表示求逆。

s1.4、對(duì)于不同μ取值時(shí)的temp_b^(i+1)(μ)，選取使基站能效最大的temp_b^(i+1)(μ)，并使得b⁽ⁱ⁺¹⁾＝temp_b^(i+1)(μ)；

s1.5、令i＝i+1，若||b⁽ⁱ⁺¹⁾-b⁽ⁱ⁾||f≥第一預(yù)設(shè)門(mén)限值，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟s1.2，否則得到使得最大化時(shí)的無(wú)約束預(yù)編碼矩陣b^opt＝b⁽ⁱ⁺¹⁾。

其中，第一預(yù)設(shè)門(mén)限值可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行確定。

s2、求解基帶預(yù)編碼復(fù)矩陣bbb以及射頻預(yù)編碼復(fù)矩陣brf，使得brfbbb逼近b^opt，從而使得基站能效逼近理論上限

其中，步驟s2具體包括如下子步驟：

s2.1、初始化i＝0，并隨機(jī)初始化brf⁽ⁱ⁾；

s2.2、根據(jù)brf⁽ⁱ⁾計(jì)算得到bbb⁽ⁱ⁺¹⁾；

s2.3、由phase(brf(l,j))＝phase(b^opt(l,:)bbb(j,:)^h),1≤l≤nt,計(jì)算得到brf⁽ⁱ⁺¹⁾，其中，phase(x)表示對(duì)x取相位，x(l,j)表示矩陣x中第l行第j列的元素，x(l,:)示矩陣x中第l行的所有元素，表示向上取整；

s2.4、若||b^opt-brf⁽ⁱ⁺¹⁾bbb⁽ⁱ⁺¹⁾||f≤第二預(yù)設(shè)門(mén)限值，則令否則，i＝i+1，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟s2.2。

其中，第二預(yù)設(shè)門(mén)限值可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行確定。

其中，步驟s2.2具體包括如下子步驟：

s2.2.1、對(duì)與b^opt分別進(jìn)行向量化得到xc與獲取ik與的克羅內(nèi)克積ζc，由向量xc的實(shí)部、虛部以及變量t構(gòu)成向量x，由向量的實(shí)部與虛部構(gòu)成向量b^opt，由向量ζc的實(shí)部與虛部構(gòu)成向量ζ，其中，t²＝1；

其中，

其中，vec(x)表示對(duì)矩陣x向量化。表示矩陣克羅內(nèi)克積。real()表示取實(shí)部，imag()表示取虛部。

s2.2.2、由得到的矩陣x即可得到其中，x＝xx^h，n＝2knrf+1，pmax表示最大發(fā)射功率限制，tr()為求矩陣的跡。

總體而言，和現(xiàn)行混合預(yù)編碼算法相比，本發(fā)明能夠取得如下增益：能量效率最高可以提升189.72％。成本效率最高可以提升9.13倍。

圖3為能量效率隨射頻通道數(shù)變化的仿真圖。圖中天線數(shù)設(shè)定為200，用戶(hù)數(shù)設(shè)定為5。從仿真圖可以看出，本發(fā)明提出的基于子陣列結(jié)構(gòu)的算法比原全連接結(jié)構(gòu)下的算法在能量效率上更優(yōu)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。