我区科研团队在信号处理基础研究方面取得最新成果

基于对生物种群进化理论的理解和微分进化算法的启发，内蒙古大学电子信息工程学院刘洋教授科研团队与计算机学院张俊星教授合作，提出了一种基于微分进化的联合波束选择和预编码方法。该方法创新性的将微分进化理论融入波束选择过程，通过种群迭代优化为每个用户分配最优波束，有效降低波束选择过程中的多用户干扰。其次，为了进一步降低系统的多用户干扰，通过利用对角线等值化和TH技术对QR预编码加以改进，解决了由于不同用户的有效信道增益不同造成的较高误码率的问题，并且大大降低了计算复杂度。相关研究成果近日已被国际信号处理领域顶级会议IEEE ICASSP 录用。

该研究也得到了国家自然科学基金面上项目、地区项目、内蒙古自治区杰青培育基金和内蒙古自治区青年科技领军人才等项目的资助。

目前，毫米波大规模MIMO技术是5G和未来6G无线通信的关键技术，它可以实现更宽的信号带宽和更高的频谱效率，从而显著提高数据速率。然而，由于毫米波通信系统基站端配备成百上千根天线，导致所需的射频链数量非常多，造成较高的硬件开销和能量消耗，难以适应未来通信系统大容量、低功耗的需求。为了降低能量消耗，波束空间MIMO的波束选择技术因其可以显著减少射频链数量且不会造成性能损失，得到了广泛关注。在实际应用中传统的波束选择算法由于不能充分考虑多用户干扰，性能并不能让人满意。因此，在波束空间MIMO中设计一种高效的联合波束选择和预编码技术的方案是非常重要的。

为解决上述问题，科研团队将波束选择优化问题看作类似于生物进化的过程。种群中的每个个体都对应于一个波束子集，个体的每个基因都被视为一个选定的波束。所有个体都按照特定的规则相互作用，包括突变、边界检测、交叉和选择操作。在有限次的优化迭代后，DE波束选择算法为每个用户返回一个近似最优的波束，得到一个近似最优的降维波束空间信道矩阵。

为了进一步降低多用户干扰，科研团队进一步提出了一种改进的QR预编码算法。通过对降维波束空间信道矩阵进行QR分解，利用对角线等值化巧妙的构造了一个由R矩阵的对角元素的倒数组成的对角矩阵，简化了系统传输公式。同时，通过应用TH预编码技术，在每个用户端进行相同的模运算，从而进一步简化了系统传输过程，解决了QR预编码中由于不同用户的有效信道增益不同造成的较高误码率的问题，并且大大降低了计算复杂度。

基于微分进化的联合波束选择和预编码算法的性能仿真图

科研团队通过实验表明，所提出的基于微分进化的联合波束选择和预编码方案可以在可达和速率、能量效率和BER三个方面表现出较优的性能。该研究有效解决了多用户干扰和不同的信道增益造成的性能损失问题，极大地提升了毫米波大规模MIMO系统的波束空间通信性能。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9747803