毫米波系统中面向多播传输的模数混合波束赋形算法研究

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毫米波通信技术使得解决近年来的频带短缺问题成为可能,但毫米波信号需要在基站端部署大规模天线阵列去提供波束赋形增益。在纯数字波束赋形设计中,每一根天线都需要连接一条射频链路,庞大的成本和功耗使得纯数字波束赋形技术在毫米波系统中不实用。为了解决该类问题,模数混合波束赋形技术应运而生。模数混合波束赋形结构大致可以分为全连接结构和部分连接结构,在全连接结构中,每一根射频链路都连接到所有的天线上,在该结构下可以得到显著的增益;在部分连接结构中,每一根射频链路仅连接到一部分的天线,能够简化硬件的实现。而模数混合波束赋形技术与多播服务的结合,也受到了广泛研究。然而,现有的面向多播传输的模数混合波束赋形设计算法多基于SDR(Semi-definite Relaxation)算法,复杂度较高;同时现有的面向多播传输的模数混合波束赋形设计均假设发射端享有完美的CSI(Channel State Information),在实际系统中难以得到。本文主要研究了面向多组多播传输的低复杂度的模数混合波束赋形设计以及在非完美信道状态下的鲁棒性设计。这两种设计均采用了低复杂度的部分连接结构。在第一部分中,本文构建了一个QoS(Quality of Service)问题,其目标是最小化基站端总的发射功率,同时满足用户的SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)限制条件。本文首先采用了交替迭代算法去交替优化模拟波束和数字波束,对每一个交替迭代子问题,本文采用CCP(Concave Convex Procedure)将每一个非凸问题转化为一系列凸的子问题,对于每一个CCP子问题,本文利用ADMM(Alternating Direction Method of Multipliers)方法求解。在第二部分中,本文将信道误差建模成更适宜毫米波信道的乘性相位误差形式,构建了一个QoS问题,其目标是最小化基站端总的发射功率,同时满足每个用户的中断概率限制条件。该部分也利用交替迭代算法对两种不同的波束进行交替优化,对每一个交替迭代子问题,本文使用二阶泰勒展开和Bernstein-type不等式方法近似求解。仿真结果表明,该低复杂度算法能够达到与基于SDR方法的算法一样的性能并显著降低计算复杂度;而本文提出的鲁棒性设计能够很好地满足中断概率限制条件。
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