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随着无线通信的发展,毫米波大规模多输入多输出(Massive MIMO)技术成为了当下的研究热点之一,能够明显地提升系统的性能和容量。在传统MIMO系统中,天线数量较少,通常采用全数字波束形成,但在大规模MIMO系统中,由于天线数目巨大,相应的射频链路数量也十分巨大,采用混合波束形成技术来降低射频链路数为解决该问题提供了一个新思路。利用混合波束形成优化算法有利于减小计算复杂度,减少能耗,并且也可以有效提高大规模MIMO天线阵列频谱效率。在系统制造之前,对混合波束形成方案行设计,可以确保优化链路级的系统性能。本文在《5G超密集异构网络中基于毫米波大规模MIMO的带内无线接入与回传最优化资源分配方案》项目应用背景下,对大规模MIMO的混合波束形成优化算法进行设计,并对其计算复杂度和频谱效率进行了仿真评估。具体工作分为以下三个部分:研究了单用户大规模MIMO系统中的混合波束形成优化算法,分析现有算法存在的问题,针对基于正交匹配追踪(OMP),流形(MO)优化两种不同理论的混合波束形成算法提出改进方案。基于OMP混合波束形成优化算法在迭代求解最优波束形成器与数字、模拟波束形成器的最小残差的过程中存在计算复杂度高的问题,本文利用数字波束形成器的正交性对算法进行改进,从数字波束形成器和无约束最优波束形成器确定的等效波束形成器的相位中提取模拟波束形成器的相位,可以简化模拟波束形成器的设计。该改进算法与现有的OMP混合波束形成算法相比,大大减小了算法复杂度。针对现有单用户大规模MIMO系统中流形优化算法,针对模拟波束形成器设计过程中线性搜索存在的局部最优点遗漏问题,提出了一种基于黎曼流形的线性优化改进算法。该改进优化算法采用Wolfe-Powell准则进行线性优化,和原有的Armijo-Goldstein准则相比,有效地解决了原有方法将极小点排除在有效区间外的问题,提高了系统的误码性能。仿真结果表明,所提出的基于改进黎曼流形优化的混合波束形成算法的误码率和频谱效率更接近于全数字波束形成算法,而计算复杂度也低于现有的流形优化算法。研究了多用户大规模MIMO系统中的混合波束形成优化算法。针对现有布罗伊登-弗莱彻-戈德法布-香农(BFGS)算法存在噪声增强误差和计算复杂度高的问题,提出了改进的L-BFGS算法。与现有算法相比,该方法改变了迭代方法,减小了存储空间和计算复杂度;可以有效消除原有算法中噪声增强误差的问题,提高系统的频谱效率。仿真结果表明,所提出的基于L-BFGS算法的混合波束形成系统性能更接近于全数字波束形成设计,而计算复杂度也明显低于现有BFGS算法。