基于加权 MMSE 等价的部分连接混合波束赋形用于频谱效率最大化
信息论
2020-10-12 v1 math.IT
摘要
混合波束赋形(HBF)是实用化大规模多输入多输出(MIMO)毫米波(mmWave)系统中一项颇具吸引力的技术。与全连接 HBF 架构相比, 部分连接架构可进一步降低硬件成本与功耗。然而, 其模拟波束赋形矩阵特殊的块对角结构带来了额外的设计挑战。本文针对采用部分连接架构的毫米波大规模 MIMO 系统, 开发了用于频谱效率最大化(SEM)的有效 HBF 算法。主要贡献之一是我们证明了 SEM 问题与矩阵加权和均方误差最小化(WMMSE)问题的等价性, 这引出了一种可直接处理 SEM 问题的便捷算法途径。具体而言, 我们将等价的 WMMSE 问题分解为混合预编码与混合合并子问题, 其中最优数字预编码器与合并器均具有闭式解。针对更具挑战性的模拟预编码器与合并器, 我们提出了一种基于元素迭代的算法与一种基于流形优化的算法。最后, 混合预编码器与合并器被交替更新。整体 HBF 算法被证明能单调提升频谱效率并收敛。此外, 我们还提出了具有更低计算复杂度和有限分辨率移相器的改进算法。仿真结果表明, 所提 HBF 算法相较传统算法取得了显著的性能增益。
引用
@article{arxiv.2010.04537,
title = {Partially-Connected Hybrid Beamforming for Spectral Efficiency Maximization via a Weighted MMSE Equivalence},
author = {Xingyu Zhao and Tian Lin and Yu Zhu and Jun Zhang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2010.04537},
year = {2020}
}