基于最小均方误差准则的毫米波系统混合波束成形

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。