研究意义
无蜂窝大规模MIMO作为6G的关键技术之一，改变了传统蜂窝网络以基站为中心的服务范式。它以用户为中心，通过大量的分布式多天线接入点(AP)，在相同的时频资源上同时为多个用户提供服务，可以提高宏分集增益，改善边缘用户服务质量。
预编码技术可以有效地抑制用户间干扰，进一步提高无蜂窝系统的容量。与全数字预编码方案相比，由模拟和数字预编码组成的混合预编码方案在无蜂窝大规模MIMO系统中具有很大的优势，因为它可以减少射频链路的数量，进而平衡可达速率和能量消耗。然而，由无蜂窝结构引入的块对角化约束给各AP之间协同设计混合预编码带来了挑战。
本文工作
为了解决上述问题，本文提出了一种流形优化辅助的集中式混合预编码(MO-CHP)方案，该方案采用交替优化和黎曼梯度下降方法实现。在求解模拟预编码器时，其核心是如何有效地处理模拟预编码器的块对角化约束和恒模约束。在本文的方案中，我们首先将模拟预编码矩阵矢量化，以消除块对角化约束。然后，进一步将其定义为一个高阶复数圆流形，以转换恒模约束。当消除了非凸约束后，基于黎曼梯度下降的流形优化可以直接用于求解模拟预编码器。在获得模拟预编码器的基础上，数字预编码器可根据拉格朗日乘子法求得闭式解。仿真结果表明，在可扩展和不可扩展的无蜂窝大规模MIMO系统中，所提方案的性能都非常接近理论边界。
本文的创新点如下：
(1) 针对无蜂窝大规模MIMO系统中联合设计混合预编码存在块对角化约束和恒模约束等非凸条件限制的问题，提出了一种新颖的流形优化辅助的集中式混合预编码方案。
(2) 为最大化可实现和速率，分别基于干扰消除(IC)和加权和最小均方误差(WS-MMSE)准则推导了两种基准全数字预编码器，在不同信噪比情况下两种方案各有优势。
(3) 在将基准全数字预编码器分解为模拟和数字预编码器时，将模拟预编码器矢量化以消除块对角化约束，并将其视为一个高阶复圆流形以转换恒模约束。
实验结果
仿真实验分别在可扩展和不可扩展无蜂窝大规模MIMO系统下对比了不同算法的性能，包括理论上界、全数字预编码方案、稀疏表征方案(SAR)、IC和WS-MMSE。
从图1可以看出，本文所提方案的性能与全数字预编码的性能非常接近，这表明了流形优化算法在无蜂窝大规模MIMO混合预编码中的有效性。此外，对比不同准则下的性能，干扰消除准则在高信噪比下的性能更好，而加权和最小均方误差准则在低信噪比下的性能更好。无论策略IC还是WS-MMSE，流形优化方案MO-CHP都优于稀疏表征方案SAR。
在任意一种方案下，虽然不可扩展系统的和速率比可扩展系统的和速率高，但代价是需要更多的AP同时工作。如果将单个AP的可实现速率作为评价指标，可以看到可扩展的无蜂窝大规模MIMO系统的优势。如图2所示，当信噪比较高时，可扩展系统中单个AP的可实现速率高于不可扩展系统，这表明在高信噪比下不需要大量的AP同时工作来保证覆盖。
从图3可以看出，随着AP数量的增加，相当于增加天线的总数，所提方案的和可达率先快速增加，然后缓慢增加，直至达到饱和。这与现有的关于天线数量对速率影响的结论是一致的。
文章下载
Jie LUO, Jiancun FAN, Yawen WANG & Jinbo ZHANG. Manifold optimization assisted centralized hybrid precoding for cell-free massive MIMO systems. Sci China Inf Sci, 2023, doi: 10.1007/s11432-023-3858-8
版权声明：本文内容转自互联网，本文观点仅代表作者本人。本站仅提供信息存储空间服务，所有权归原作者所有。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容， 请发送邮件至1393616908@qq.com 举报，一经查实，本站将立刻删除。
