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无人机辅助多用户毫米波MIMO系统的透镜波束预编码技术研究

陈真 唐杰 杜晓宇 章秀银

陈真, 唐杰, 杜晓宇, 章秀银. 无人机辅助多用户毫米波MIMO系统的透镜波束预编码技术研究[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(3): 844-851. doi: 10.11999/JEIT211194
引用本文: 陈真, 唐杰, 杜晓宇, 章秀银. 无人机辅助多用户毫米波MIMO系统的透镜波束预编码技术研究[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(3): 844-851. doi: 10.11999/JEIT211194
CHEN Zhen, TANG Jie, DU Xiaoyu, ZHANG Xiuyin. Lens Array-based Beam Precoding Optimization for UAV-enabled Multiuser Millimeter Wave MIMO System[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(3): 844-851. doi: 10.11999/JEIT211194
Citation: CHEN Zhen, TANG Jie, DU Xiaoyu, ZHANG Xiuyin. Lens Array-based Beam Precoding Optimization for UAV-enabled Multiuser Millimeter Wave MIMO System[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(3): 844-851. doi: 10.11999/JEIT211194

无人机辅助多用户毫米波MIMO系统的透镜波束预编码技术研究

doi: 10.11999/JEIT211194
基金项目: 国家自然科学基金(62001171),广东省自然科学基金(2021A1515011966)
详细信息
    作者简介:

    陈真:男,1985年生,副研究员,研究方向为智能反射面通信、信道估计及波束管理

    唐杰:男,1986年生,教授,研究方向为无线携能通信、智能反射面、绿色通信等

    杜晓宇:女,2000年生,硕士生,研究方向为智能反射面信道估计

    章秀银:男,1978年生,教授,博士生导师,研究方向为 5G移动通信中的大规模有源MIMO天线系统、数字射频系统、射频电路与系统、无线输能/无线携能通信等

    通讯作者:

    唐杰 eejtang@scut.edu.cn

  • 中图分类号: TN911.7; TP391

Lens Array-based Beam Precoding Optimization for UAV-enabled Multiuser Millimeter Wave MIMO System

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62001171), The Natural Science Foundation of Guangdong Province (2021A1515011966)
  • 摘要: 无人机(UAV)与毫米波(mmWave)多输入多输出(MIMO)系统的结合可以提供高数据速率的空中链路,然而其部署位置及波束赋形设计直接影响无线通信系统的吞吐量。为实现多用户同时接入通信,该文提出基于离散透镜阵列(DLA)结构的波束空间预编码技术,构建了联合UAV飞行高度、波束选择及混合预编码的优化方案。为了解决这一涉及随机目标函数的非凸优化问题,该文利用最小化加权最小均方误差方法,将问题转化为求一系列子优化问题,进而通过一种惩罚对偶分解(PDD)算法求解。数值仿真结果表明,该方案能够实现接近全数字波束赋形方案的频谱效率性能。
  • 图  1  基于LAA结构的毫米波MIMO通信示意图

    图  2  基于镜像阵列结构的UAV通信示意图

    图  3  可实现SE与迭代次数关系图

    图  4  约束(20a)与迭代次数关系图

    图  5  对比频谱效率与信噪比关系图

    图  6  对比频谱效率与天线数目关系图

    图  7  可实现SE与GT数关系图

    图  8  模拟预编码、全数字预编码和所提方法的比较

    表  1  BCD算法求解式(32)

     (1) 循环:$i = 1, 2,\cdots ,{N_t}$
     (2)   根据式(33)更新$ {s_i} $;
     (3)   将$ {s_i} $赋值给$ S $的第$ i $行;
     (4) 结束
    下载: 导出CSV

    表  2  提出的联合优化算法

     输入:最大发射功率$ P $,$1 \le k \le K$时的信道${\bar {\boldsymbol{H}}_k}$。
     (1) 初始化:$ n = 1 $,$ \mathcal{K} = \{ 1,2, \cdots ,K\} $,原始变量
       $\{ {{\boldsymbol{V}}_k},W,{\bar {\boldsymbol{H}}_k},{{\boldsymbol{Q}}_k},{\hat s_{i,j} },{{\boldsymbol{s}}_j}\}$;初始化 $ h = {h_{\min }} $,对偶变量
       $ \{ L_k^{(n)},\lambda _{i,j}^{(n)},\mu _k^{(n)},{\rho ^{(n)}}\} $
     (2) 循环:当终止条件未达到时,执行
     (3)  根据式(15)更新$ \{ {\xi _k}\} $
     (4)  根据式(16)更新$ h $
     (5)  根据式(23)更新$\{ {{\boldsymbol{V}}_k}\}$
     (6)  根据式(25)更新${\boldsymbol{W}}$
     (7)  根据式(28)更新$\{ {{\boldsymbol{Q}}_k}{\text{\} } }$
     (8)  根据式(31)更新$ {\text{\{ }}{\hat s_{i,j}}{\text{\} }} $
     (9)  根据式(33)更新$\{ {{\boldsymbol{s}}_j} \}$
     (10) 根据式(34)更新$ \{ L_k^{(n)},\lambda _{i,j}^{(n)},\mu _k^{(n)},{\rho ^{(n)}}\} $
     (11) 结束循环
     (12) 输出:模拟部分${\boldsymbol{S}}$和数字部分${\boldsymbol{W }}$,${{\boldsymbol{V}}_k}$,$ h $。
    下载: 导出CSV
  • [1] YANG Zhaohui, PAN Cunhua, SHIKH-BAHAEI M, et al. Joint altitude, beamwidth, location, and bandwidth optimization for UAV-enabled communications[J]. IEEE Communications Letters, 2018, 22(8): 1716–1719. doi: 10.1109/LCOMM.2018.2846241
    [2] YU Peng, LI Wenjing, ZHOU Fanqin, et al. Capacity enhancement for 5G networks using MmWave aerial base stations: Self-organizing architecture and approach[J]. IEEE Wireless Communications, 2018, 25(4): 58–64. doi: 10.1109/MWC.2018.1700393
    [3] XIAO Zhenyu, XIA Pengfei, and XIA Xianggen. Enabling UAV cellular with millimeter-wave communication: Potentials and approaches[J]. IEEE Communications Magazine, 2016, 54(5): 66–73. doi: 10.1109/MCOM.2016.7470937
    [4] SUN Yuhan and QI Chenhao. Weighted sum-rate maximization for analog beamforming and combining in millimeter wave massive MIMO communications[J]. IEEE Communications Letters, 2017, 21(8): 1883–1886. doi: 10.1109/LCOMM.2017.2703113
    [5] ARTUSO M, BOVIZ D, CHECKO A, et al. Enhancing LTE with Cloud-RAN and load-controlled parasitic antenna arrays[J]. IEEE Communications Magazine, 2016, 54(12): 183–191. doi: 10.1109/MCOM.2016.1500687CM
    [6] WANG Buhong, HUI H T, and LEONG M S. Global and fast receiver antenna selection for MIMO systems[J]. IEEE Transactions on Communications, 2010, 58(9): 2505–2510. doi: 10.1109/TCOMM.2010.09.0901232
    [7] AKDENIZ M R, LIU Yuanpeng, SAMIMI M K, et al. Millimeter wave channel modeling and cellular capacity evaluation[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2014, 32(6): 1164–1179. doi: 10.1109/JSAC.2014.2328154
    [8] ZENG Yong and ZHANG Rui. Millimeter wave MIMO with lens antenna array: A new path division multiplexing paradigm[J]. IEEE Transactions on Communications, 2016, 64(4): 1557–1571. doi: 10.1109/TCOMM.2016.2533490
    [9] FENG Chenghao, SHEN Wenqian, and AN Jianping. Beam selection for wideband millimeter wave MIMO relying on lens antenna arrays[J]. IEEE Communications Letters, 2019, 23(10): 1875–1878. doi: 10.1109/LCOMM.2019.2930081
    [10] MNDEZ-RIAL R, RUSU C, GONZÁLEZ-PRELCIC N, et al. Hybrid MIMO architectures for millimeter wave communications: Phase shifters or switches[J]. IEEE Access, 2016, 4: 247–267. doi: 10.1109/ACCESS.2015.2514261
    [11] ALKHATEEB A and HEATH R W. Frequency selective hybrid precoding for limited feedback millimeter wave systems[J]. IEEE Transactions on Communications, 2016, 64(5): 1801–1818. doi: 10.1109/TCOMM.2016.2549517
    [12] ZENG Yong, YANG Lu, and ZHANG Rui. Multi-user millimeter wave MIMO with full-dimensional lens antenna array[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2018, 17(4): 2800–2814. doi: 10.1109/TWC.2018.2803180
    [13] GAO Xinyu, DAI Linglong, CHEN Zhijie, et al. Near-optimal beam selection for beamspace MmWave massive MIMO systems[J]. IEEE Communications Letters, 2016, 20(5): 1054–1057. doi: 10.1109/LCOMM.2016.2544937
    [14] GAO Xinyu, DAI Linglong, HAN Shuangfeng, et al. Reliable beamspace channel estimation for millimeter-wave massive MIMO systems with lens antenna array[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2017, 16(9): 6010–6021. doi: 10.1109/TWC.2017.2718502
    [15] EL AYACH O, RAJAGOPAL S, ABU-SURRA S, et al. Spatially sparse precoding in millimeter wave MIMO systems[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2014, 13(3): 1499–1513. doi: 10.1109/TWC.2014.011714.130846
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-10-29
  • 修回日期:  2022-02-15
  • 录用日期:  2022-02-16
  • 网络出版日期:  2022-02-25
  • 刊出日期:  2022-03-28

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