【混合波束成形系統(tǒng)研究文獻綜述1900字】

混合波束成形系統(tǒng)研究文獻綜述在傳統(tǒng)的全數(shù)字波束成形設(shè)計下，數(shù)據(jù)處理部分除了發(fā)送端數(shù)字域的數(shù)據(jù)處理，還需要包括發(fā)送端的數(shù)字信號轉(zhuǎn)模擬信號器、發(fā)送端上的變頻操作、接收端的模擬信號轉(zhuǎn)數(shù)字信號器以及接收端下的變頻操作。用于實現(xiàn)這一系列操作的部分被稱為射頻鏈路(RadioFrequencychain,RFchain)。其優(yōu)點在于，可以對輸入信號進行數(shù)字域的數(shù)據(jù)處理，即任意地調(diào)整信號的幅度和相位，之后直接輸送到發(fā)送天線進行發(fā)送。這樣的數(shù)據(jù)處理也被稱為全數(shù)字波束成形(Fully-digitalbeamforming,FD)。其缺點在于，隨著天線數(shù)目的增長，已經(jīng)無法負擔(dān)為每根天線都配置一條對應(yīng)的射頻鏈路的開銷。于是，為了降低硬件開支，混合波束成形(Hybridanaloganddigitalbeamforming,HBF)結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生，該技術(shù)大大降低了射頻鏈路的數(shù)目，從而節(jié)約了硬件開銷。需要重點注意的是模擬波束成形和數(shù)字波束成形的區(qū)別。為了降低射頻鏈路，后續(xù)的模擬波束成形是在模擬域上操作的，因此，主流結(jié)構(gòu)使用相移器(phaseshifter)來實現(xiàn)。其優(yōu)點是成本較低，缺點在于只能改變信號的相位。在混合波束成形系統(tǒng)中，除了四個波束成形變量的聯(lián)合優(yōu)化，即發(fā)射端的數(shù)字波束成形器、發(fā)射端的模擬波束成形器、接收端的數(shù)字波束成形器和接收端的模擬波束成形器更加困難之外，系統(tǒng)中的移相器對模擬波束成形器的模的恒約束使得優(yōu)化問題具有高度非凸性，更加難以求解?，F(xiàn)有的方法大多是先將原問題解耦為混合預(yù)編碼和結(jié)合的子問題，然后在求解子問題時著重考慮常模約束，從而簡化問題。將混合波束成形器的設(shè)計視為矩陣分解問題是一種有效且廣泛應(yīng)用的方法，該方法可以利用全數(shù)字波束成形器最小化混合波束成形器之間的歐氏距離。為了解決這一矩陣分解問題，在Rajagopal[9]的研究中，作者利用毫米波技術(shù)傳播信道的空間結(jié)構(gòu)，提出了一種利用空間稀疏預(yù)編碼技術(shù)和正交匹配追蹤(orthogonalmatchingpursuit,OMP)技術(shù)組合的算法。在J.Zhang[14]的研究中，作者提出了一種基于流形優(yōu)化(manifoldoptimization,MO)的混合波束成形算法以及一些低復(fù)雜度算法。除了利用矩陣化方法外，混合波束成形設(shè)計的另一個思想是直接處理原問題。在F.Sohrabi和W.Yu[15]的研究中，作者首先根據(jù)原目標(biāo)推導(dǎo)出數(shù)字波束成形器的封閉解，然后對具有常模約束的模擬波束成形器進行若干迭代算法求解。以上的工作以及之前的大部分研究的目標(biāo)，都是為了將頻譜效率最大化，從而更好地設(shè)計混合波束成形系統(tǒng)。回顧傳統(tǒng)的全數(shù)字多輸入多輸出系統(tǒng)的聯(lián)合預(yù)編碼和組合設(shè)計，除頻譜效率外，均方誤差(mean-squareerror,MSE)是另一個重要的度量指標(biāo)?？紤]均方誤差的一個直接動機是，在實際的運用中，系統(tǒng)通常被限制在某些特定的調(diào)制和編碼場景中，而不是一成不變的高斯碼場景，因此均方誤差是表征傳輸可靠性的直接性能指標(biāo)。此外，均方誤差的一些變式，如和均方誤差、最小最大均方誤差、修正均方誤差、加權(quán)均方誤差等，與其他重要性能指標(biāo)(如信噪比和符號誤碼率)有關(guān)。例如，在H.Sampath和D.P.Palomar[16],[17]的研究中已經(jīng)表明，在具有多數(shù)據(jù)流的全數(shù)字多輸入多輸出系統(tǒng)的波束成形設(shè)計中，均方誤差與信噪比和誤符號率有關(guān)。因此，將均方誤差作為混合波束成形的備選優(yōu)化目標(biāo)具有重要意義。實際上，即使在現(xiàn)有的一些以頻譜效率為目標(biāo)的混合波束成形設(shè)計中，混合接收組合矩陣也是通過最小化均方誤差而不是最小化頻譜效率來優(yōu)化的。在D.H.N.Nguyen、J.Lee和V.Stankovic[18]的研究中，基于最小均方誤差(mininummean-squareerror,MMSE)準(zhǔn)則的預(yù)編碼設(shè)計也能獲得良好的頻譜效率。在毫米波系統(tǒng)中，利用最小均方誤差準(zhǔn)則設(shè)計混合波束成形已經(jīng)有了一些工作。在D.H.N.Nguyen[18]的研究中，針對發(fā)射端混合最小均方誤差的預(yù)編碼問題，作者提出了一種基于正交匹配追蹤的算法。為了提高系統(tǒng)性能，在J.Cong[12]的研究中，作者直接解決了最小均方誤差預(yù)編碼問題，并提出了一種基于通用特征分解方法的算法。在R.Mai[19]的研究中，作者將混合最小均方誤差預(yù)編碼問題轉(zhuǎn)換為分解最優(yōu)全數(shù)字最小均方誤差預(yù)編碼問題。在作者后來的工作中，作者進一步考慮了混合最小均方誤差合成器的優(yōu)化，目的是最小化混合合成器與全數(shù)字合成器之間的加權(quán)近似差距。然而，所有這些工作都只是考慮了窄帶場景，不能直接擴展到寬帶場景，而適合毫米波通信系統(tǒng)更適合在寬帶場景之下。針對大規(guī)模多用戶多輸入單輸出系統(tǒng)，O.ElAyach[9]提出了一種基于毫米波信道稀疏特性的算法。結(jié)果表明，最優(yōu)全數(shù)字波束成形器與全混合波束成形器之間的Frobenius范數(shù)可以近似地解決毫米波信道的頻譜效率最大化問題。J.Cong[12]采用一種壓縮感知算法，設(shè)計出的混合波束成形器呈現(xiàn)出三種特性：兩端使用極多天線時性能良好;射頻鏈的數(shù)目嚴(yán)格大于數(shù)據(jù)流的數(shù)目;假設(shè)信道矩陣有相關(guān)性。但在其他情況下，理論最大容量與J.Cong采用的算法的可達速率之間存在較大差距。對于擁有K個用戶的下行多輸入單輸出系統(tǒng),L.Liang[13]的研究顯示,混合波束成形與K個連鎖射頻基站可以