基于混合量化移相器的毫米波大规模MIMO预编码设计

doi:10.12263/DZXB.20201370

电子学报 ›› 2021, Vol. 49 ›› Issue (12): 2349-2356.DOI: 10.12263/DZXB.20201370

基于混合量化移相器的毫米波大规模MIMO预编码设计

丁青锋, 罗静, 高鑫鹏, 石辉

华东交通大学电气与自动化工程学院, 江西南昌 330013

收稿日期:2020-12-01 修回日期:2021-04-25 出版日期:2021-12-25 发布日期:2021-12-25
作者简介:丁青锋　男,1980年生于安徽怀宁.现为华东交通大学电气与自动化工程学院教授、硕士生导师.主要研究方向为轨道交通无线通信、智能优化、下一代无线通信技术等.E‑mail：brandy724@sina.com
罗　静　男,1997年生于江西新余.现为华东交通大学电气与自动化工程学院研究生.主要研究方向为毫米波通信,混合预编码设计.E‑mail：luojing9102@163.com
高鑫鹏　男,1995年生于内蒙古呼伦贝尔.现为华东交通大学电气与自动化工程学院研究生.主要研究方向为中继混合预编码,低复杂度设计.E‑mail：gxinpeng1030@foxmail.com
石　辉　男,1997年生于江西鄱阳.现为华东交通大学电气与自动化工程学院研究生.主要研究方向为智能电网与无线通信.
基金资助:
国家自然科学基金项目(61961018);江西省杰出青年人才计划项目(20192BCB23013);江西省自然科学基金项目(20192ACB21003);江西省研究生创新专项资金资助项目(YC2020?S324)

Mixed⁃Resolution Phase Shifters⁃Based Precoding Design for the mmWave Massive MIMO Systems

DING Qing-feng, LUO Jing, GAO Xin-peng, SHI Hui

School of Electrical and Automation Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang，Jiangxi 330013，China

Received:2020-12-01 Revised:2021-04-25 Online:2021-12-25 Published:2021-12-25

摘要/Abstract

摘要：

针对毫米波大规模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系统能量效率低下的问题,提出一种基于混合精度移相器量化的混合预编码设计方法.首先考虑到系统能量效率闭合表达式难以直接求解,通过Dinkelbach方法将能量效率优化问题转换为范数最小化的形式,然后将其进一步解耦为混合预编码矩阵和混合精度移相器量化配比问题,实现非凸能效低范数和的凸优化转化,最后通过引入酉矩阵松弛恒模约束求解混合预编码矩阵,并采用增量搜索算法求解混合量化移相器精度配比向量,从而实现系统能量效率最大化.仿真结果表明,所提出的混合精度量化算法的系统频谱效率优于传统单精度量化算法,且具有更高的系统能量效率.同时,当多数据流传输时,所提出混合精度量化结构的系统性能接近全数字结构.

关键词: 毫米波通信, 混合预编码, 有限精度移相器, 频谱效率, 能量效率, 增量搜索算法, 混合精度量化

Abstract:

For the insufficient energy efficiency(EE) in mmWave massive MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) systems, a method with mixed-resolution phase shifters is proposed. Considering that the closed expression for EE is difficult to solve directly, the EE optimization problem is converted into norm minimization form through the Dinkelbach method. Then it is further decoupled into the hybrid precoding matrix and the mixed-resolution ratio problems to realize the convex optimization transformation of non-convex EE and low norm sum. Finally, in order to maximize the EE of the system, the unitary matrix relaxation constant modulus constraint is introduced to solve the full-resolution hybrid precoding matrix, and the incremental search algorithm is used to solve the optimal mixed-resolution ratio vector. The simulation results show that the spectrum efficiency performance of the proposed mixed-resolution algorithm is better than that of the traditional finite-resolution algorithm, and it has higher EE performance. Meanwhile, the system performance of the proposed mixed-resolution quantization structure is close to the full-digital structure when multiple data streams are transmitted.

Key words: mmWave communication, hybrid precoding, finite-resolution phase shifter, spectral efficiency, energy efficiency, incremental search algorithm, mixed-resolution quantization

中图分类号:

TN929.5

丁青锋, 罗静, 高鑫鹏, 石辉. 基于混合量化移相器的毫米波大规模MIMO预编码设计[J]. 电子学报, 2021, 49(12): 2349-2356.

DING Qing-feng, LUO Jing, GAO Xin-peng, SHI Hui. Mixed⁃Resolution Phase Shifters⁃Based Precoding Design for the mmWave Massive MIMO Systems[J]. Acta Electronica Sinica, 2021, 49(12): 2349-2356.

图/表 8

表1 复杂度对比表

算法	算法复杂度
算法1	$O N t 3 + N R F N s N t$
算法2	$O N R F N t 2 N s + N R F N t B m a x 2$
CDM^［8］	$O N i t e r o N i t e r i N R F 2 N s N t 3$
Binary^［10］	$O 2 N s N t 3 + 2 N s N t 2$

表1 复杂度对比表

算法	算法复杂度
算法1	$O N t 3 + N R F N s N t$
算法2	$O N R F N t 2 N s + N R F N t B m a x 2$
CDM^［8］	$O N i t e r o N i t e r i N R F 2 N s N t 3$
Binary^［10］	$O 2 N s N t 3 + 2 N s N t 2$

图1 系统频谱效率随SNR变化关系

表2 不同精度移相器配比

$N P S$	$B 1$	$B 2$	$B 3$
64	0.5	0.48	0.02
81	0.67	0.33	0
225	0.74	0.26	0
400	0.76	0.24	0

表2 不同精度移相器配比

$N P S$	$B 1$	$B 2$	$B 3$
64	0.5	0.48	0.02
81	0.67	0.33	0
225	0.74	0.26	0
400	0.76	0.24	0

图2 系统能量效率随SNR变化关系

图3 非完美信道下的频谱效率随SNR变化关系

图4 系统频谱效率和能量效率随SNR变化情况

图5 频谱效率随配比因子ν变化情况

图6 能量效率随配比因子ν变化情况

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Mixed⁃Resolution Phase Shifters⁃Based Precoding Design for the mmWave Massive MIMO Systems

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