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基于最小均方误差准则的毫米波系统混合波束成形

DOI：10.1109/TCOMM.2019.2893632 期刊：IEEE Transactions on Communications 出版年份：2019 更新时间：2025-09-23 15:22:29
摘要： 混合模拟与数字波束成形（HBF）技术作为毫米波通信系统的一种方兴未艾的解决方案崭露头角，能很好地平衡克服传播损耗所需的充分波束成形增益与降低硬件成本及功耗的需求。本文选取均方误差（MSE）作为表征传输可靠性的性能指标，在最下和MSE准则下研究宽带毫米波传输的HBF设计。为攻克多变量设计问题的求解难题，采用交替最小化方法对混合收发波束成形器进行交替优化：首先提出基于流形优化的HBF算法直接处理模拟组件的恒模约束，并证明其收敛性；继而为降低计算复杂度，提出窄带场景下基于低复杂度广义特征值分解的HBF算法，以及宽带场景下通过特征值分解和正交匹配追踪法实现的三种算法。本交替最小化算法的创新点在于设计了能加速收敛的精妙初始化方法。进一步将基于和MSE的设计拓展至加权和方法并关联至频谱效率设计。仿真表明，所提HBF算法较现有方案取得显著性能提升，且逼近全数字波束成形效果。
作者： Tian Lin，Jiaqi Cong，Yu Zhu，Jun Zhang，Khaled Ben Letaief
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研究概述 实验方案

研究目的

研究宽带点对点毫米波系统的联合发射与接收混合波束成形优化，旨在通过最小化修正均方误差（MSE）来表征传输可靠性并平衡硬件成本与功耗。

研究成果

所提出的HBF算法（尤其是MO-HBF）以更少的射频链路实现了接近全数字波束成形的性能，显著优于OMP等现有方法。VFD初始化方法提升了收敛速度。WMMSE扩展将均方误差最小化与频谱效率最大化相关联，展现出具有竞争力的结果。未来工作可探索误码率最小化及有限分辨率移相器。

研究不足

该研究假设信道状态信息和同步完全理想，这在实际系统中可能不成立?；贕EVD-HBF和EVD的算法依赖于近似处理，无法保证严格收敛；而基于OMP的算法受限于模拟波束成形器预定义的可行集。本研究基于仿真，未考虑硬件缺陷或实际信道变化。

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