基于SVD与GMD的毫米波MIMO系统混合预编码方法

预编码技术是毫米波多输入多输出(MIMO)系统中常用的一种可以用来提高频谱效率的技术。相较于传统的全数字预编码技术,混合预编码能够大大减少射频(RF)链的数量,更适合毫米波系统。提出了一种基于奇异值分解(SVD)和几何均值分解(GMD)相结合的混合预编码矩阵设计方法。通过MATLAB仿真分析可知,相较于基于正交匹配追踪(OMP)算法的预编码设计方法,文章提出的算法性能更优,频谱效率更接近最优全数字预编码方法,且具有更好的误码率。     

基于两阶段的毫米波大规模MIMO低复杂度混合预编码算法

针对现有基于矩阵分解的混合预编码算法信道容量有损和算法复杂度高的问题,本文提出了一种基于两阶段的低复杂度混合预编码算法.该算法分为获取最优全数字预编码器和求解混合预编码器两部分.首先,本文联合奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)与注水算法以容量无损的要求设计最优全数字预编码矩阵.其次,为了降低搜索超完备矩阵列的复杂度,提出两阶段混合预编码(Two?Stage Hybrid Precoding,TS?HP)算法求解混合预编码矩阵.第一阶段,根据天线阵列响应矩阵的相关性获取模拟预编码矩阵备选集;第二阶段,利用贪婪搜索对备选集进行搜索构建混合预编码矩阵.仿真结果表明,所提算法能够有效改善系统性能,降低复杂度.     

星地链路中基于毫米波大规模MIMO的混合预编码算法研究

为了提升星地链路通信系统频谱效率,针对毫米波(millimeter Wave, mmWave)大规模多输入多输出(Massive Multiple Input Multiple Output, Massive MIMO)系统,在正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit, OMP)算法的基础上,提出了一种改进的OMP (Improved-OMP)混合预编码算法。针对星地链路间通信的特定场景,引入了基于扩展的Saleh-Valenzuela (S-V)信道模型;针对OMP算法中求解模拟预编码矩阵时存在迭代次数过多的问题,在结合多步长思想的基础上,从天线阵列响应集合中选取与射频链路(Radio Frequency Chains, RF Chains)相等的前多列作为模拟预编码矩阵;为了克服OMP算法中的伪逆运算复杂度较高的问题,结合矩阵分解和H9lder不等式简化了数字预编码的求解。仿真结果表明,在理想的信道状态信道条件下,当RF Chains的数量和数据流的数量之间的差距较小时,Improved-OMP算法可以获得更优的性能。Improved-OMP方案有效地降...     

基于IAFS算法的毫米波大规模MIMO混合预编码方法

毫米波大规模多输入多输出系统可以通过部分连接混合预编码方法克服其信号路径损耗带来的不利影响,具有硬件实现复杂度低、能量效率高的优点,当输入的数据流数与射频链路数相等时,可以采用基于串行干扰消除的混合预编码方法。当输入的数据流数与射频链路数不相等时,提出了一种基于改进人工鱼群（IAFS）算法的混合预编码方法。其核心思想是基于频谱效率最优化准则和部分连接结构的特点,将针对模拟预编码矩阵变量的频谱效率优化问题转化为基于矢量变量的频谱效率最优化问题,利用IAFS算法进行寻优求解完成预编码矩阵设计。仿真结果表明,所提方法在低信噪比条件下具有较好的频谱效率与能量效率性能,有望在现实场景中得到应用。     

毫米波大规模MIMO系统基于等效信道的全连接混合预编码设计

为了提升毫米波大规模MIMO系统中基于全连接结构的混合预编码性能,提出一种基于等效信道两步设计法的混合预编码方案。首先结合发送端模拟预编码矩阵、接收端模拟组合矩阵和信道矩阵构造等效信道,以最大化等效信道增益为目标设计出收发端的模拟部分,之后对数字预编码矩阵与数字组合矩阵逐列应用最小二乘准则进行求解,设计出收发端数字部分。仿真结果表明,所提算法能够逼近最优全数字预编码方案且具有较低的复杂度,并具有较强的容错性。     

基于字典学习的毫米波大规模MIMO系统混合预编码

针对毫米波大规模多输入多输出(MIMO)系统混合预编码方案设计的难题,采用字典学习的思想,提出了一种高精度混合预编码方案.该方案首先对全数字预编码矩阵的各列采用稀疏表示;进而按列将字典原子从稀疏表示中分离出来,通过对误差矩阵采用奇异值分解(SVD)来更新对应的字典原子,直到所有字典原子更新,以形成新的字典矩阵;最后,利用更新后的字典矩阵稀疏重构全数字预编码矩阵,以得到模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵.仿真结果表明,相较于基于正交匹配追踪(OMP)的混合预编码方案,所提方案在提升系统频谱效率和降低误码率方面具有明显的优势.     

一种有限字符输入的线性预编码设计算法

针对有限字符输入下多输入多输出(MIMO)信道的互信息最大化问题,该文提出一种复杂度低的线性预编码算法。该算法根据水银/注水理论,融合基于均匀旋转的空时-线性星座预编码(Space-Time Linear Constellation Precoding,ST-LCP)矩阵的预编码方法和最大化最小输出向量信号间距的方法,从两者中选择互信息更高者用于预编码。然后,在基于均匀旋转的ST-LCP矩阵的预编码方法中,把MIMO信道的奇异值矩阵作为功率分配矩阵,并提出局部搜索和矩阵加幂两种改进措施。最后,利用有限字符集的对称性,进一步降低了互信息的计算复杂度。该算法在各种信道和信噪比条件下均能逼近互信息的理论最大值,并且减少甚至避免了搜索,计算复杂度大大下降。仿真结果验证了该算法的有效性。     

一种基于GMD分解的混合预编码算法

提出了毫米波大规模MIMO系统中一种利用几何均值分解(GMD)设计模拟和数字预编码矩阵的算法.首先根据初始模拟预编码矩阵列向量相互正交,利用GMD分解计算出模拟预编码矩阵后,取其元素相位构成的矩阵为最终的模拟预编码矩阵,然后设计数字预编码矩阵.仿真结果表明,频谱效率和误码率较正交匹配追踪(OMP)算法分别有大约3dB和2.5dB的增益.     

基于门限控制的新型矢量扰动预编码方法

以下行多用户多输入单输出系统为例,分析了在发送端采用矢量扰动预编码时,信道矩阵的条件数大小对算法复杂度及其系统性能的影响。通过蒙特卡洛仿真发现,当信道矩阵的条件数较小时,硬性采用矢量扰动预编码所寻找出来的扰动矢量大多是零矢量,此时不恰当的扰动甚至可能增大信号发送功率,导致不必要的浪费。当信道矩阵的条件数较大时,采用格基约缩的方法可以降低搜索扰动矢量的复杂度。在此基础上,提出了一种基于门限控制的新型矢量扰动预编码方法,该方法相对于传统的完全不考虑信道特性的矢量扰动预编码,可以极小的性能损失换取计算复杂度的显著降低。     

一种低复杂度多用户MIMO预编码方法

针对多用户多输入多输出(MIMO,Multiple Input Multiple Output)系统下行链路,提出了一种基于特定矩阵结构的低复杂度线性预编码方法。该方法利用规则块对角化(RBD,Regularized Block Diagonalization)方法的预编码矩阵具有的内在结构设计预编码矩阵,通过最小化总的干扰与噪声功率之和得到预编码矩阵的最终形式。等效性证明和复杂度分析表明,该方法能够获得与规则块对角化方法相同的"和速率"性能,同时大幅度降低了运算复杂度。仿真实验结果验证了这一结论。     

Design of hybridly-connected hybrid precoding in millimeter-wave massive MIMO system

In order to improve the spectral efficiency of hybridly-connected hybrid precoding,the optimal hybrid precoding matrix under the ideal conditions was firstly obtained by using the principle of successive interference cancellation (SIC).Secondly,the optimal hybrid precoding matrix was decomposed into the digital precoding matrix and the analog precoding matrix by using the gradient descent theory.Finally,considering the constant modulus constraint condition of the analog precoding matrix,the digital and analog precoding matrices were optimized by using the alternating minimization method aim to maximize the spectral efficiency.Due to the hybridly-connected structure,the proposed hybrid precoding design algorithm is significantly superior to the partially-connected and fully-connected hybrid precoding in terms of the system energy efficiency.Meanwhile,the algorithm does not increase any hardware complexity and only increases a small amount of computation of the hybridly-connected hybrid precoding.Computer simulation results exhibit that the proposed algorithm can improve the system spectral efficiency of the hybridly-connected hybrid precoding,and the upgrade of spectral efficiency is more significant especially in the conditions that the number of radio frequency (RF) links is greater than the number of data streams.Since the sub-blocks are not necessary to satisfy orthogonality conditions,the proposed algorithm is more suitable for practical application than the existing hybridly-connected hybrid precoding.     

基于毫米波大规模MIMO的混合RZF预编码算法

针对毫米波大规模MIMO系统采用全数字预编码时,系统所需射频链路数量较大而导致实现成本和能耗较高的问题,提出了一种在基站端和用户端分别采用混合预编码和模拟合并的方案.在充分考虑信道特性的基础上,根据收发两端的天线阵列响应矢量分别设计模拟预编码矩阵和模拟合并矩阵,然后根据生成的有效信道矩阵,在基带部分设计低维的数字预编码,从而消除系统中噪声和用户间干扰的影响.仿真结果表明,在有效减少系统所需射频链路数量的基础上,所提混合预编码方案能够接近传统全数字预编码方案的性能.     

Hybrid Analog and Digital Precoding Based on Adaptive Method in P2P Massive MIMO

To achieve a far higher capacity in massive multi-input multi-output, the hybrid analog and digital precoding has been studied recently. In this paper, we consider the downlink single user communication system and propose an efficient matrix adaptive gradient descent algorithm to design the radio frequency precoder and combiner, and use the singular value decomposition method to obtain the digital precoder and combiner. Simulation results show that the proposed method can approach the performance of the conventional full digital precoding with a fast convergence rate.     

基于遗传算法的毫米波大规模MIMO系统混合预编码

目前混合预编码方案中,大多采取高精度的移相器作为模拟预编码的设计基础,使得系统成本增加。针对这一问题,探讨了有限精度射频前端的混合预编码设计。为了实现更高的频谱利用率,考虑到天线权值的最优组合为一NP（Non-deterministic Polynomial）问题,受机器学习启发,采用遗传算法对阵列中阵元的相位取值进行建模设计模拟预编码。通过信道矩阵与模拟预编码矩阵的乘积引入等效信道矩阵,考虑用户间干扰,以最大信干噪比准则进行数字预编码设计。仿真结果表明,该方案得到的混合预编码矩阵其系统性能可逼近全数字预编码矩阵的性能。     

毫米波MIMO系统中基于正交码本的模数混合预编码算法

由于毫米波混频器件的高成本和高功耗,传统MIMO系统的数字预编码技术面临硬件复杂度过高的缺点,因而模数混合预编码吸引了学术界和工业界的广泛关注.基于此,提出了一种基于正交码本的模数混合预编码算法,该算法利用模拟波束成形码本的正交性,并行地设计各个射频链路的波束成形向量,显著降低了传统混合预编码设计中正交匹配追踪算法的计算复杂度,从而降低了硬件实现的复杂度.     

毫米波MIMO系统中迭代最小均方误差混合波束成形算法

混合波束成形结构能有效解决毫米波MIMO系统中射频链路受限的问题,但要设计性能较优的混合波束成形算法仍然存在困难.为了实现更高的频谱利用率,提出了一种性能较优的迭代最小均方误差(Alt-MMSE)混合波束成形算法.该算法利用数字矩阵的正交特性,首先进行初始数字矩阵设计,然后通过最小化发送信号与接收信号的均方误差不断迭代更新数字矩阵,在每一次迭代过程中,通过更新后的数字矩阵得到模拟矩阵的相位信息.仿真结果表明,与OMP混合波束成形算法和基于矩阵分解的混合处理方案相比,该算法具有更优的性能且更接近于纯数字波束成形.