一种基于毫米波混合预编码结构的低功耗电力通信方法
阅读说明：本技术 一种基于毫米波混合预编码结构的低功耗电力通信方法 (Low-power-consumption power communication method based on millimeter wave hybrid precoding structure ) 是由 黎琦 汤显斌 曾琦 李代敏 唐志敏 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：一种基于毫米波混合预编码结构的低功耗电力通信方法,提出了一种开关与两级移相器级联的混合预编码结构,基于该结构公开一种混合预编码方法,包括以下步骤：给出本发明的开关与两级移相器级联的混合预编码结构,建立基于该结构的混合预编码数学模型；对信道矩阵奇异值分解求解全数字预编码矩阵,生成元素值为1的移相器模拟预编码矩阵；利用线性最小二乘方法优化数字预编码矩阵；利用混合交替最小化优化移相器模拟预编码矩阵；利用坐标下降法优化开关模拟预编码矩阵；利用上述得到的预编码矩阵完成混合预编码。本发明的混合预编码结构与方法,在具有较低的硬件成本的同时,可实现更高的电力通信可靠性。(A low-power consumption electric power communication method based on a millimeter wave hybrid precoding structure provides a hybrid precoding structure with a switch and two-stage phase shifters cascaded, and discloses a hybrid precoding method based on the structure, which comprises the following steps: the method comprises the steps of providing a mixed pre-coding structure formed by cascading a switch and a two-stage phase shifter, and establishing a mixed pre-coding mathematical model based on the structure; solving a full-digital pre-coding matrix by channel matrix singular value decomposition, and generating a phase shifter simulation pre-coding matrix with an element value of 1; optimizing a digital pre-coding matrix by using a linear least square method; simulating a precoding matrix by using a hybrid alternating minimization optimization phase shifter; optimizing a switch simulation pre-coding matrix by using a coordinate descent method; and completing mixed precoding by using the obtained precoding matrix. The hybrid precoding structure and the hybrid precoding method have lower hardware cost and can realize higher power communication reliability.)
技术领域
本发明涉及一种基于毫米波混合预编码结构的低功耗电力通信方法，属电力通信
技术领域
。背景技术
随着电力通信网的不断发展，电力系统的高可靠性运行和高功率损耗问题逐渐步入学者的视野。
电力通信网作为承载智能电网和未来能源信息交互的重要基础设施，对可靠性和低功耗的要求越来越高。而毫米波通信(30GHz-300GHz)因其丰富的频谱资源和超高的传输速率得到了人们的广泛关注，因此不少学者将毫米波通信技术与电力通信网结合，尝试利用毫米波的丰富频谱资源来实现一个更加可靠的信息交互。然而，毫米波通信中的射频链路会产生高昂的通信成本，使其不得不考虑系统功耗问题。针对这个问题，采用模拟和数字相结合的混合预编码通信方案是一个可行的解决方案。混合预编码方案减小了系统的实现成本和能量消耗，为智能电网的开展提供了优良的基础环境。
综上所述，开展智能电网中通信网络的可靠性和低能耗技术研究，可以针对性的解决电力通信网物理层、网络层等可靠性保证问题，并且在经济成本和网络资源利用上具有较大优势，具有重要的实际应用价值。为此，如何设计模拟网络结构并给出相应的混合预编码方法，利用较低硬件成本和功耗达到较高的频谱效率，是低能耗电力通信中亟待解决的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的是，为了解决毫米波混合预编码结构的可靠性和高功耗问题，本发明提出一种基于毫米波混合预编码结构的低功耗电力通信方法。
本发明实现的技术方案如下，一种基于毫米波混合预编码结构的低功耗电力通信方法，包括以下步骤：
S1、给出毫米波低功耗电力通信系统混合预编码模型和开关两级模拟移相器级联的混合预编码结构，并给出混合预编码模型的目标优化函数；
假设Ns为智能电网信息发送端的数据流数，NRF表示射频链个数，Nt表示发射天线数。利用最小化混合预编码矩阵残差准则表示所述的混合预编码数学模型，其目标优化函数为：
{FA，FS，FD}＝min(||Fopt-FAFSFD||F)2 (1)
其中，||·||F表示矩阵的F范数；Fopt表示维度为Nt×Ns全数字最优预编码矩阵；FA为Nt×Nt的模拟移相预编码矩阵，其矩阵中元素的模为1；FS为Nt×NRF的模拟开关预编码矩阵，其矩阵中的任何元素模为1或0，表示开关的连接与断开，通过模拟开关预编码矩阵控制移相器的开断；FD表示为NRF×Ns的数字预编码矩阵；
三个预编码矩阵满足基站发射端的功率约束条件，表示为：(||FAFSFD||F)2＝Ns；
模拟移相预编码矩阵为两级移相器组成的预编码矩阵，可以表示为FA＝[g1(f1)T，…，gK(fK)T]T；其中fk为与第k个子天线阵列相连的第一级模拟预编码向量；gk为与第k个子天线阵列相连的第二级模拟预编码向量；K为子天线阵列的个数，M为每个子天线阵列中天线的数量，且Nt＝KM。
S2、对信道矩阵H进行奇异值分解：H＝USVH，取右奇异矩阵V的前Ns列作为全数字最优预编码矩阵，然后随机产生模为1的模拟预编码矩阵；利用线性最小二乘方法优化数字预编码矩阵，具体求解为：FD＝(FA)HFopt；利用混合交替最小化方法优化具有两级移相器的模拟预编码矩阵。
其求解步骤如下：
S21、固定数字预编码矩阵与模拟开关预编码矩阵，优化模拟移相预编码矩阵；令FG＝FSFD，则公式(1)可以转换为求解(||Fopt(FG)H-FA||F)2的最小值下的模拟预编码矩阵FA取值。
S22、将公式(||Fopt(FG)H-FA||F)2分解为K个独立的子问题，对于第k个子天线阵列，该子问题可表示为：
FA＝min(||[Fopt(FG)H]k-gk(fk)T||F)2 (2)
其中[Fopt(FG)H]k表示为提取[Fopt(FG)H]的(k-1)M+1至kM构成的子矩阵。
S23、固定第二级移相器模拟预编码向量gk，求解最佳fk。利用(||gk||F)2＝(||fk||F)2＝(Nt)2，将公式(2)展开再去掉与fk无关的项后，优化目标转化为
fk＝minRe{(([Fopt(FG)H]k)T(gk)*)Hfk} (3)
其中Re(·)表示为取矩阵各元素的实部得到的新矩阵,(·)*表示为将矩阵各元素共轭后得到的新矩阵。因此，通过公式(3)可以分别优化fk中的每个元素，并且将每个元素除以对应元素的模来得到单位化后的fk。
S24、固定第一级移相器模拟预编码向量fk，通过单位化gk＝[Fopt(FG)H]kfk的每个元素来求解最佳gk。
S3、在步骤S2的基础之上，利用坐标下降法优化模拟开关预编码矩阵，其方法包括：
S31、固定数字预编码矩阵与模拟移相预编码矩阵，公式(1)进行等效转换再将平方展开后，可得到优化目标的上界(||FE||F)2-2Re{tr(FD(FE)HFS)}+(||FS||F)2。
S32、将优化目标的上界去掉(||FE||F)2并加上(||Re{FE(FD)H}||F)2，便可以得到关于模拟开关预编码矩阵FS的完全平方式，具体函数为：
FS＝min(||Re{FE(FD)H-FS}||F)2 (4)
因此，最优的模拟开关预编码矩阵可以由矩阵Re{FE(FD)H}和矩阵FS得到，即遍历矩阵Re{FE(FD)H}的所有元素并判断，若元素大于0.5则FS对应位置元素值为1，否则为0。
所述混合预编码结构包括数字预编码器、射频链路和开关两级模拟移相级联网络；所述数字预编码器通过射频链路连接开关两级模拟移相级联网络；所述开关两级模拟移相级联网络包括开关网络、一级模拟移相网络和二级模拟移相网络；所述开关网络依次级联一级模拟移相网络和二级模拟移相网络。
本发明的有益效果在于，本发明所提出的开关两级移相器级联混合预编码结构，其所需的移相器的数量与全连接的混合预编码相比较少，符合电力通信的较低硬件成本和功耗需求；本发明所提开关两级移相器级联结构，通过开关网络实现了射频链路与移相器之间的动态连接，使得射频链路上的数据信息可以被不同的天线阵元所共享，为提高电力通信系统可靠性提供了重要基础，从而更好的实现能源信息交互。
附图说明
图1为本发明的具体实施的毫米波低功耗电力通信混合预编码结构框图；
图2为图1中开关两级移相器级联混合预编码结构示意图；
图3为本发明实施例基于开关两级移相器级联混合预编码结构的混合预编码方法示意图。
具体实施方式
本发明通过具体实施方式进一步说明，本发明所提出的开关两级移相器级联混合预编码结构，建立该结构的毫米波低功耗电力通信系统的数学模型；所提出的结构在保持高可靠性的同时，实现了系统增益和能量效率的提升。
本实施例一种基于毫米波混合预编码结构的低功耗电力通信方法，基于开关两级移相器级联混合预编码结构，提出了一种混合预编码方案。
图1所示为毫米波低功耗电力通信混合预编码结构，混合预编码结构包括数字预编码器、射频链路和开关两级模拟移相级联网络。混合预编码结构的发射端使用射频链路、开关及移相器对数据流进行混合预编码，其中射频链路组成数字预编码网络，开关及移相器组成模拟预编码网络，且在模拟预编码网络中包含两级级联的移相网络；开关两级模拟移相级联网络如图2所示。
本实施例通过开关及两级移相器网络有效地减少了系统硬件成本，实现了射频链路与大规模天线系统的动态共享。
本实施例基于开关两级移相器级联混合预编码结构的混合预编码方法，步骤如下：
S1、建立开关两级移相器级联混合预编码数学模型，利用最小化混合预编码矩阵残差准则表示所述的混合预编码数学模型，目标优化为：
{FA，FS，FD}＝min(||Fopt-FAFSFD||F)2
s.t.(||FAFSFD||F)2＝Ns
[FS]m,n∈{0,1}，m∈[1,Nt]，n∈[1,NRF]
|[FA]i,j|＝1，i,j∈[1,Nt] (5)
其中，Fopt表示维度为Nt×Ns全数字最优预编码矩阵；FA、FS、FD分别表示维度为Nt×Nt的模拟移相预编码矩阵、Nt×NRF模拟开关预编码矩阵和NRF×Ns数字预编码矩阵；[FS]m,n∈{0,1}表示为模拟开关预编码矩阵第m行、第n列的取值为0或1，0表示开关断开，1表示开关连接；(||FAFSFD||F)2＝Ns表示基站发射端的功率约束条件；假设Ns为智能电网信息发送端的数据流数，|·|和||·||F分别表示复数的模和矩阵的F范数。
模拟移相预编码矩阵为两级移相器组成的预编码矩阵，可以表示为FA＝[g1(f1)T,…,gk(fk)T…,gK(fK)T]T，其中fk为与第k个子天线阵列相连的第一级模拟预编码向量；gk为与第k个子天线阵列相连的第二级模拟预编码向量，K为子天线阵列的个数，M为每个子天线阵列中天线的数量，且Nt＝KM。
S2、对信道矩阵进行奇异值分解：H＝USVH，将信道矩阵H奇异值分解后的右奇异矩阵V的前Ns列作为全数字最优预编码矩阵，然后随机产生模为1的模拟移相预编码矩阵。固定模拟移相预编码矩阵，利用线性最小二乘方法优化数字预编码矩阵，具体求解为：FD＝(FA)HFopt。利用混合交替最小化方法优化具有两级移相器的模拟移相预编码矩阵。
求解步骤包括：
S21、固定模拟数字预编码矩阵与模拟开关预编码矩阵，优化模拟移相预编码矩阵。由公式(5)可得：
FA＝min(||Fopt-FAFSFD||F)2＝min(||Fopt(FG)H-FA||F)2 (6)
其中FG＝FSFD的维度为Nt×Ns。
S22、将公式(6)分解为K个独立的子问题，对于第k个子天线阵列，该子问题可以表示为：
FA＝min(||[Fopt(FG)H]k-gk(fk)T||F)2 (7)
其中，[Fopt(FG)H]k表示为提取[Fopt(FG)H]的(k-1)M+1至kM构成的维度为Nt×Nt子矩阵。
S23、固定第二级移相器模拟预编码向量gk，求解最佳fk；利用矩阵的F范数平方与矩阵求迹的性质和等式(||gk||F)2＝(||fk||F)2＝(Nt)2，将问题(7)展开再去掉无关项后，优化目标问题转化为：
fk＝min Re{(([Fopt(FG)H]k)T(gk)*)Hfk} (8)
其中Re(·)表示为取矩阵各元素的实部得到的新矩阵，(·)*表示为将矩阵各元素共轭后得到的新矩阵。因此，通过公式(8)可以分别优化fk中的每个元素，并且将每个元素除以对应元素的模来得到单位化后的fk。
S24、固定第一级移相器模拟预编码向量fk，通过单位化gk＝[Fopt(FG)H]kfk的每个元素来求解最佳gk。
S3、在步骤S2的基础之上，利用坐标下降法优化模拟开关预编码矩阵方法如下：
固定数字预编码矩阵与模拟移相预编码矩阵，令FE＝(FA)HFopt表示为等效最优预编码矩阵；式(5)进行等效转换再将平方展开后，可得到优化目标的上界(||FE||F)2-2Re{tr(FD(FE)H FS)}+(||FS||F)2；将优化目标上界的(||FE||F)2去掉并加上(||Re{FE(FD)H}||F)2，便可得关于模拟开关预编码矩阵FS的完全平方式，具体函数为：
FS＝min(||Re{FE(FD)H}-FS||F)2 (9)
因此，最优的模拟开关预编码矩阵，可以由矩阵Re{FE(FD)H}的元素是否大于0.5得到，即遍历矩阵Re{FE(FD)H}的所有元素并判断，若元素大于0.5则FS对应位置元素值为1，否则为0。