CN102916735A - 利用大规模天线阵列的无线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种利用大规模天线阵列的无线通信方法。无线通信的基站侧配备大规模天线阵列，可以为一维或二维阵列，对基站所覆盖的区域形成数十个以上的波束覆盖。基站通过模拟多波束成形网络或数字域波束成形实现小区的大规模波束覆盖，基站在同一时频资源上与多个用户进行无线通信，通信过程在波束域实施。各个用户使用不同的时频资源发送探测信号，基站根据接收到的探测信号获得每个用户的波束域长时信道信息，由此确定在同一时频资源上通信的用户，并为各用户分配相应的波束集合。各用户在其选定的波束集合上与基站进行通信，在同一时频资源上通信的各用户所占的波束集合互不重叠，各用户的导频信号不要求相互正交，导频可以在空分用户间复用。

Description

利用大规模天线阵列的无线通信方法

技术领域

本发明涉及一种使用多天线的无线通信系统，尤其涉及一种使用大规模天线阵列的多用户空分多址无线通信系统。

背景技术

为适应宽带信息服务向移动终端延展的需要，移动通信系统要求能够支持高达每秒数百兆甚至上千兆比特的高速分组数据传输，在无线资源日趋紧张的情况下，采用多天线的无线传输技术，可以提高频谱利用率和功率效率，多天线无线传输技术成为新一代移动通信标准3GPP LTE（3rd Generation Partnership ProjectLong Term Evolution，第三代合作伙伴计划长期演进）的关键技术。

在3GPP LTE系统中，基站侧采用4根天线，为进一步提高频谱效率并改善小区边缘性能，在其高版本LTE-Advanced系统中将基站侧天线个数增加到8根。尽管如此，LTE系统所能够达到的频谱效率和小区边缘频谱效率仍然较低，而且所需的发射功率仍然较高。随着移动通信宽带化需求的进一步增加及人们对绿色无线通信的期待，需要从根本上挖掘利用空间维度无线资源的新技术，以进一步显著提高无线资源的频谱利用率和功率利用率，实现绿色宽带移动通信需求。为此，本发明给出一种利用大规模天线阵列的无线通信技术。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种充分挖掘利用空间维度无线资源、支撑绿色宽带移动通信的利用大规模天线阵列的无线通信方法。

技术方案：本发明提供一种利用大规模天线阵列和无线信道的波束域特征实现高效率无线通信的方法。该方法具体为：

a.无线通信的基站侧配备大规模天线阵列，构成天线阵列的天线单元个数为数十个以上，天线单元间距为半个波长的量级，天线阵列可以为一维或二维阵列，能够对基站所覆盖的区域形成数十个以上的波束覆盖。

b.基站侧通过使用模拟多波束成形网络或数字域多波束成形方法实现空间资源的波束域划分，基站在同一时频资源上与多个用户进行无线通信，通信过程在波束域中实施。

c.每个用户使用不同的时频资源发送探测信号，基站根据接收到的探测信号获得每个用户的波束域长时信道信息。

d.利用波束域长时信道信息，进行波束域用户调度，确定可以在同一时频资源上通信的用户，并为其中各用户分配相应的波束集合。

e.各用户在其选定的波束集合上与基站进行通信，在同一时频资源上通信的各个用户所占的波束集合互不重叠，从而实现波束域多用户空分多址传输。

f.上行链路中，同一时频资源上通信的各个用户同时传输导频和数据信号，基站在不同的波束集合上对各用户进行接收处理，不同用户的导频信号不要求相互正交，导频可以在空分用户间复用。

g.下行链路中，在同一时频资源上，基站在选定的波束集合上向各个用户同时发送信号，包括导频信号和数据信号，各用户进行接收处理，不同用户的导频信号不要求相互正交，导频可以在空分用户间复用。

所述的大规模天线阵列中各天线单元通过各自的收发射频单元、模数/数模转换单元、数字光模块及光纤传输通道与无线通信数字基带处理单元相连，通过数字域多波束成形实现小区的大规模波束覆盖；大规模天线阵列也可以通过模拟多波束成形网络实现小区的大规模波束覆盖，并将波束域收发信号端口通过模数/数模转换单元、数字光模块及光纤传输通道与无线通信数字基带处理单元相连。

所述的基站与多个用户的无线通信在波束域实施，基站侧波束域数字基带处理与控制系统包括波束处理单元、用户处理单元、交换处理单元、空分多用户调度等模块。每个波束处理单元完成单个或多个波束的发送后处理或接收预处理，每个用户处理单元完成一个或多个用户频域发送信号的生成和接收信号的处理，交换处理单元完成波束处理单元与用户处理单元的信号交互，空分多用户调度单元完成空分多用户调度。

所述的波束域长时信道信息获取由上行链路的信道探测过程完成；在上行链路，各用户间歇地发送探测信号，所有用户的探测信号可以在一个时隙的一个OFDM符号上发送，不同用户探测信号使用不同的子载波资源，各用户中不同的天线在不同的子载波上发送探测信号，每个用户多个天线所占的子载波资源为相邻子载波组成的多组子载波资源，各个天线使用这些子载波组中不同编号的子载波；在基站的每个波束上，根据接收到的探测信号，估计各用户波束域信道参数，由此计算出各用户信道特征模式能量耦合矩阵，即实施多用户空分调度所需的波束域长时信道信息。

所述的波束域用户调度由基站侧空分多用户调度处理模块依据信道长时信息完成，利用前述获得的各用户波束域长时信道信息，依据系统和速率最大准则，对小区中的用户进行调度，确定可使用同一时频资源通信的多个用户以及各用户使用的波束，调度后，通信各用户的传输波束互不重叠，用户在波束域中进行空分多址传输；用户调度可以通过贪婪算法或简化贪婪算法完成，对所有用户及波束进行遍历搜索，考虑当前用户在剩余波束集合中有无可用波束以及该用户加入选择用户集合对系统和速率性能的影响，选取使系统和速率增加最大的用户加入选择用户集合。

所述的波束域多用户空分多址传输利用大规模阵列天线的空间角度分辨率和各用户信道在波束域中的局部性特征，实现对不同位置不同方向用户的区分；在同一时频资源上，不同用户使用不同的波束集合与基站进行通信，用户之间的波束集合互不重叠，同时各用户波束不超过最大波束限制；每个用户与其相应的多个波束口之间构成单用户MIMO链路，上行链路中基站在各用户相应的波束集合上处理其接收信号，下行链路中基站在各用户相应的波束集合上发送其信号。

所述的各用户上行链路传输过程涉及导频训练和数据传输两个部分，各用户在给定的时频资源上发送导频信号，不同用户之间的导频信号不要求正交，可以复用导频信号，同一用户不同天线之间的导频要求正交，基站在各用户相应的波束上利用接收导频信号，辅之以接收数据信号，估计瞬时信道信息以及干扰的相关阵，并由此对数据信号进行相干接收处理。

所述的各用户下行链路传输过程涉及导频训练和数据传输两个部分，基站在给定的时频资源上发送导频信号，将各用户的导频信号映射到不同的波束集合上进行发射，不同用户之间的导频信号不要求正交，可以复用导频信号，同一个用户不同波束之间的导频信号要求正交，各用户利用接收导频信号，辅之以接收数据信号，估计瞬时信道信息以及干扰的相关阵，并由此对数据信号进行相干接收处理。

有益效果：本发明提供的利用大规模天线阵列的无线通信方法具有如下优点：

1、各个用户在波束域与基站进行通信，可以与其无线信道的空域局部性相适配，获取大规模天线阵列所能够提供的功率增益和多径分集增益，提高功率利用率及传输可靠性。

2、利用各用户信道在波束域的长时信息，确定各用户所使用的波束资源，在同一时频资源上实施多用户空分多址传输，可以显著提高频谱利用率，且该空分多址传输适用于时分双工（TDD）和频分双工（FDD）系统。

3、将多用户MIMO链路分解为单用户MIMO链路，且各用户仅与少数波束通信，显著降低物理层实现的复杂度。

4、所需的各用户信道在波束域的长时信息，可以通过稀疏的探测信号获得，而所需的瞬时信道信息，可以在其相应的波束资源上通过专用导频信号获得，由此显著降低信道信息获取的代价。

5、各个用户在大规模波束域与基站进行通信的系统解决方案，也有利于实现较高精度的无线定位，并提高无线通信的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅表明本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为基站侧大规模天线阵列配置及波束覆盖示意图。

图2为基站系统构成示意图：（a）为采用模拟多波束成形网络的基站系统示意图；（b）为采用数字域多波束成形的基站系统示意图。

图3为波束域数字基带处理与控制系统示意图。

图4为各用户波束域长时信道信息获取所占资源情况示意图。

图5为上行链路传输方案与传统方案对比示意图：（a）为传统多址接入信道（MAC）传输模型；（b）为本方案传输模型。

图6为下行链路传输方案与传统方案对比示意图：（a）为传统广播信道（BC）传输模型；（b）为本方案传输模型。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

（1）基站侧大规模天线阵列配置及波束覆盖

图1为基站侧大规模天线阵列配置及波束覆盖示意图，图中考虑单小区基站的情况，基站的大规模天线阵列放置在基站所在的建筑物上，每个基站所配置的大规模天线阵列有多个扇面，每个扇面由大量的天线单元构成，当各天线单元采用全向天线或120度扇区天线时，相邻天线单元的间距可设计为1/2λ和1/√3λ，其中λ为载波波长。大规模天线阵列也可以采用圆阵列或其它可以生成大规模波束覆盖且方便安装的阵列结构。

大规模天线阵列中各天线单元通过各自的收发射频单元、模数/数模转换单元、数字光模块及光纤传输通道与数字基带处理单元相连，通过数字域多波束成形实现小区的大规模波束覆盖。大规模天线阵列也可以通过模拟多波束成形网络实现小区的大规模波束覆盖，并将各波束收发信号端口通过收发射频单元、模数/数模转换单元、数字光模块及光纤传输通道与数字基带处理单元相连。图1中大量的虚线圈示出所述的大规模波束覆盖，不同于传统无线通信系统中的小区覆盖，将基站所覆盖的小区通过大量的波束进行空域细化，以挖掘利用空间维度无线资源。

（2）基站系统构成

图2（a）为采用模拟多波束成形网络的基站系统构成示意图。基站系统由四部分构成：一维或二维的大规模天线阵列、模拟多波束成形网络、波束收发模拟处理阵列、以及波束域数字基带处理与控制。大规模天线阵列可以根据数量和易于安装等要求排成不同的形状。最基本的是一维线性均匀天线阵列，也可以是二维方形阵列或圆形阵列。多波束成形网络主要实现空间域信号与波束域信号的变换，使得天线阵列能够集中能量将信号发射到不同的空间方向上，或接收来自不同空间方向的信号，不同的波束对应不同的发射和接收信号方向，对应图1中不同的波束覆盖区域，达到区分不同位置用户的目的。每个波束的收发模拟处理单元包括载波调制/解调模块、数模/模数转换模块和数字光收发模块，这些模块都由控制单元实现开启/关闭控制。在实施通信的过程中，通过部分波束与用户进行通信，有大量的波束处于空闲状态，关闭空闲状态的收发处理模块可以节约能量消耗。

图2（b）为采用数字域多波束成形的基站系统构成示意图。基站系统由四部分构成：一维或二维的大规模天线阵列、收发模拟处理阵列、数字域多波束成形、以及波束域数字基带处理与控制。这里以数字域多波束成形取代图2（a）中模拟多波束成形网络，在数字域实现多波束成形。在前述天线间距配置的情况下，可以利用离散傅里叶变换（DFT）来实现数字域多波束成形。与图2（a）不同，此时收发模拟处理单元与波束通道不是一一对应的，在实施通信的过程中，各收发处理单元不能依据波束使用情况进行关闭处理。

图3为波束域数字基带处理与控制系统示意图，主要包括波束处理单元、用户处理单元、交换处理单元、空分多用户调度等模块。每个波束处理单元完成单个或多个波束的发送后处理或接收预处理，其中发送后处理包括相应波束上用户发送信号的时频资源映射和正交频分复用（OFDM）调制，接收预处理包括相应波束上同步、OFDM解调、信道探测及用户信号的提取，图3中波束处理单元的个数M'与每个波束处理单元处理的波束个数的乘积为系统中波束个数M。每个用户处理单元完成一个或多个用户的频域发送信号的生成和接收信号的处理，其中发送信号生成包括信道编码及调制符号映射等发送处理，接收信号处理包括信道估计、信号检测、信道解码及自适应链路控制等，图3中用户处理单元的个数U'与每个用户处理单元处理的用户个数的乘积为小区中用户个数U。交换单元完成波束处理单元与用户处理单元的信号交互。空分多用户调度单元完成空分多用户调度，根据信道探测所获得的统计信道信息，选择可以使用同一时频资源通信的用户，并为其中各用户分配相应的用于通信的单个或多个波束。

（3）波束域长时信道信息获取

波束域长时信道信息获取由上行链路的信道探测过程完成。在上行链路，各用户间歇地发送探测信号，所有用户的探测信号可以在一个时隙的一个OFDM符号上发送，不同用户探测信号使用不同的子载波资源，各用户中不同的天线在不同的子载波上发送探测信号，每个用户多个天线所占的子载波资源为相邻子载波组成的多组子载波资源，各个天线使用这些子载波组中不同编号的子载波。在基站的每个波束上，根据接收到的探测信号，估计各用户波束域信道参数，由此计算出各用户信道特征模式能量耦合矩阵，此即实施多用户空分调度所需的波束域长时信道信息。

图4为各用户波束域长时信道信息获取所占资源情况示意图，图中水平方向表示时间，竖直方向表示OFDM子载波，不同的斜线阴影表示不同用户进行长时信道信息获取时占用的时频资源。记OFDM子载波集合为K＝{1,2,...,K}，以N表示每个用户配置的收发天线数，U表示小区中用户数，N_S表示各用户使用的子载波组数，并设K＝N_SNU。第u个用户的第n个天线上发送的探测信号所占的子载波集合为：K_u,n＝{(u-1)N+n+(k-1)NU,1≤k≤N_S}，记其第k个子载波上发送的探测信号为x_u,n,k。设一个统计周期内有τ时隙，其标号为t∈{1,2,…,τ}。

在基站侧，各用户上行信道的特征模式能量耦合矩阵通过如下信道探测过程得到：

步骤1：计算波束域各用户上行链路信道参数：第u个用户第n个天线在第t个时隙第k个子载波上的信道参数由下式计算：

${\hat{g}}_{u,n,t,k}^{\mathrm{up}}=\frac{1}{x_{u,n,k}}{y}_{u,n,t,k}---\left(1\right)$

其中，y_u,n，t，k为相应的波束域接收信号矢量，其第b个元素为第b个波束上的接收信号。将第u个用户N个天线的信道参数构成如下信道矩阵：

${\hat{G}}_{u,t,k}^{\mathrm{up}}=[{\hat{g}}_{u,1,t,k}^{\mathrm{up}},{\hat{g}}_{u,2,t,k}^{\mathrm{up}},...,{\hat{g}}_{u,N,t,k}^{\mathrm{up}}]---\left(2\right)$

步骤2：计算各用户的发送相关阵：

$R_u^{\mathrm{ut}}\≈\frac{1}{N_S\mathrm{\τ}}\underset{t=1}{\overset{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{N_S}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\hat{G}}_{u,t,k}^{\mathrm{up}}\right)}^H{\hat{G}}_{u,t,k}^{\mathrm{up}}---\left(3\right)$

其中，上标H表示共轭转置。

步骤3：将各用户的发送相关阵进行特征值分解

$R_u^{\mathrm{ut}}=V_u{\mathrm{\Λ}}_u{V}_u^H---\left(4\right)$

得到各用户的发送特征矩阵V_u，其中，Λ_u为由特征值构成的对角矩阵。

步骤4：计算各用户特征模式信道参数矩阵：

$H_{u,t,k}^{\mathrm{up}}=G_{u,t,k}^{\mathrm{up}}{V}_u---\left(5\right)$

步骤5：计算各用户上行信道的特征模式能量耦合矩阵：

其中，□为矩阵的Hadamard乘积，上标*表示共轭。

利用上行链路和下行链路统计信道信息的互易性，得到各用户下行信道的特征模式能量耦合矩阵为

上标T表示转置。

（4）用户调度算法

利用（3）中获得的各用户波束域长时信道信息，依据给定的准则，如系统和速率最大准则等，对小区中的用户进行调度，确定可使用同一时频资源通信的多个用户以及各用户使用的波束，调度后，通信各用户的传输波束互不重叠，用户在波束域中进行空分多址传输。

对于该用户调度问题，可以通过使用贪婪算法或简化贪婪算法进行实施。基于系统和速率最大准则，在同时满足每个用户波束数量限制以及不同用户传输波束互不重叠的要求下，对所有用户及波束进行遍历搜索，考虑当前用户在剩余波束集合中有无可用波束以及该用户加入选择用户集合对系统性能的影响，选取使系统和速率增加最大的用户加入选择用户集合，若和速率降低或所有用户搜索完毕则终止调度。

以单小区中存在U个用户和M个波束为例，并以

表示小区中所有用户的集合，B＝{1,2,...,M}表示波束的集合，U_s＝{u₁,u₂,…u_S}表示被选择进行空分多址通信的用户集合，S为调度用户数，U_n表示未被选择的用户集合，B_u表示第u个用户使用的波束集合，B_n表示空闲的波束集合，

表示在集合U_s中的用户使用各自相应波束集合B_u与基站通信时系统的和速率，

表示第i个用户使用其最佳的传输波束集合加入选择的用户集合后系统的和速率。对于上行链路，设第u个用户发送的频域QAM调制符号的功率为

接收信号中噪声的方差为σ²第u个用户的调制符号功率与噪声方差之比为 ${\mathrm{\ρ}}_u^{\mathrm{up}}=P_u^{\mathrm{up}}/{\mathrm{\σ}}^2,$ $R(U_s,B_{u_1},B_{u_2},...,B_{u_S})$ 可由下式近似计算得到：

$R(U_s,B_{u_1},B_{u_2},...,B_{u_S})\≈\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}\log \frac{\mathrm{Per}\left(\begin{array}{cc}[I& {\mathrm{\Ω}}_{1,i}]\end{array}\right)}{\mathrm{Per}\left(\begin{array}{cc}[I& {\mathrm{\Ω}}_{2,i}]\end{array}\right)}---\left(7\right)$ 其中，Per(·)为矩阵的积和式(permanent)，Ω_1，i＝[Θ_i，1,...,Θ_i,i-1，Θ_i，i,Θ_i，i+1,...,Θ_i，S]，Ω_2，i＝[Θ_i，1,...,Θ_i，i-1,Θ_i，i+1,...,Θ_i，S]， ${\mathrm{\Θ}}_{i,j}={\mathrm{\ρ}}_{u_j}^{\mathrm{up}}{\left[{\mathrm{\Ω}}_{u_j}\right]}^{B_{u_i}}.R(U_s,B_{u_1},B_{u_2},...,B_{u_S})$ 也可由下式近似计算得到：

$R(U_s,B_{u_1},B_{u_2},...,B_{u_S})\≈\underset{i\∈U_S}{\mathrm{\Σ}}\log \frac{\underset{m\∈B_i}{\mathrm{\Π}}[\underset{j\∈U_S}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_j^{\mathrm{up}}\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[{\mathrm{\Ω}}_j\right]}_{\mathrm{mn}}\right)+1]}{\underset{m\∈B_i}{\mathrm{\Π}}[\underset{j\≠i}{\underset{j\∈U_S}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_j^{\mathrm{up}}\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[{\mathrm{\Ω}}_j\right]}_{\mathrm{mn}}\right)+1]}---\left(8\right)$

对于下行链路，设基站发送的第u′个用户频域QAM调制符号的功率为第u个用户接收信号中噪声的方差为

则基站发送第u′个用户的调制符号功率与第u个用户的接收噪声方差之比为

可由下式近似计算得到：

$R(U_s,B_{u_1},B_{u_2},...,B_{u_S})\≈\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}\log \frac{\mathrm{Per}\left(\begin{array}{cc}[I& {\mathrm{\Ω}}_{3,i}]\end{array}\right)}{\mathrm{Per}\left(\begin{array}{cc}[I& {\mathrm{\Ω}}_{4,i}]\end{array}\right)}---\left(9\right)$ 其中，Ω_3,i＝[Θ_i，1,...,Θ_i，i-1,Θ_i，i,Θ_i，i+1,..,Θ_i，S]，Ω_4,i＝[Θ_i，1,...,Θ_i，i-1,Θ_i，i+1,..,Θ_i，S]， ${\mathrm{\Θ}}_{i,j}={\mathrm{\ρ}}_{u_i,u_j}^{\mathrm{down}}{\left({\left[{\mathrm{\Ω}}_{u_i}\right]}^{B_{u_j}}\right)}^T.$

也可由下式近似计算得到：

$R(U_s,B_{u_1},B_{u_1},...,B_{u_S})\≈\underset{i\∈U_s}{\mathrm{\Σ}}\log \frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}[\underset{j\∈U_s}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{i,j}^{\mathrm{down}}\left(\underset{m\∈B_j}{\mathrm{\Σ}}{\left[{\mathrm{\Ω}}_i\right]}_{\mathrm{mn}}\right)+1]}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}[\underset{j\≠i}{\underset{j\∈U_s}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{i,j}^{\mathrm{down}}\left(\underset{m\∈B_j}{\mathrm{\Σ}}{\left[{\mathrm{\Ω}}_i\right]}_{\mathrm{mn}}\right)+1]}---\left(10\right)$

为得到上下行链路一致的用户调度结果，系统和速率可以采用上行链路和速率与下行链路和速率之和，或其加权求和。

利用系统和速率最大准则以及上述近似计算方法，用户调度算法描述如下：

1)贪婪算法

依次遍历小区中所有用户，在空闲波束集合中为各用户选择使其速率最大的波束集合，在剩余用户集合中挑选使得系统和速率最大的用户，若该用户加入通信用户集合后系统和速率增加，则将该用户加入，并更新用户及波束集合，继续遍历剩余用户；否则终止调度。该算法的具体实施步骤如下：

步骤1：初始化用户和波束集合，初始选择通信的用户集合

剩余用户集合U_n＝{1,2,...,U}，空闲波束集合B_n＝{1,2,...,M}，初始用户数S＝0。

步骤2：对于剩余用户集合U_n中各用户，在空闲波束集合B_n中，挑选其最佳的传输波束集合B_i，使得该用户加入选择用户集合后系统和速率最大，波束选择公式为：

$B_i=\arg \underset{B_i\⊆B_n}{\max }R(U_s\∪\{i\},B_{u_1},...,B_{u_S},B_i),i\∈U_n---\left(11\right)$

步骤3：计算剩余用户集合U_n中各用户使用最佳传输波束集合B_i加入用户选择集合后系统的和速率：

$R_{U_s,i}=R(U_s\∪\{i\},B_{u_1},...,B_{u_S},B_i),i\∈U_n---\left(12\right)$

挑选和速率最大的用户

$j=\arg \underset{i\∈U_n}{\max }{R}_{U_S,i}---\left(13\right)$

步骤4：若该用户加入后系统和速率增加，即

则选择该用户，更新用户和波束集合：U_s＝U_sU{j}，U_n＝U_n\{j}，B_n＝B_n\B_j，S=S+1，返回步骤2进行循环；否则转至步骤5。

步骤5：终止调度，选择用户的集合U_s，调度的用户数为S，各用户通信的波束集合B_i,i∈U_s。

2)简化贪婪算法

对小区中的各用户进行一次遍历，依次考虑各用户加入用户调度集合U_s中对系统性能的影响，若系统和速率增加，则选择该用户，否则不选择该用户。算法的具体实施过程如下：

步骤1：初始化用户和波束集合，初始选择通信的用户集合

剩余用户集合U_n＝{1,2,...,U}，空闲波束集合B_n＝{1,2,...,M}，初始用户数S＝0，置u＝1，最大系统和速率R_max＝0。

步骤2：在空闲波束集合B_n中为第u个用户挑选其最佳传输波束B_u，使其加入用户调度集合U_s后系统和速率最大，波束选择公式为：

$B_u=\arg \underset{B_u\⊆B_n}{\max }R(U_S\∪\{i\},B_{u_1},B_{u_S},B_u)---\left(14\right)$

步骤3：计算该用户加入调度集合U_s后系统和速率

$R_{U_s,i}=R(U_s\∪\{u\},B_{u_1},...,B_{u_S},B_u)---\left(15\right)$

若

则选择该用户，更新用户和波束集合U_s＝U_s∪{u}，B_n＝B_n\B_u，S=S+1，u＝u+1，否则不选择该用户，仅更新u＝u+1。

步骤4：若u≤U，则返回步骤2；否则转至步骤5。

步骤5：终止调度，选择用户的集合U_s，调度的用户数为S，各用户通信的波束集合B_i,i∈U_s。

（5）波束域多用户空分多址传输

经过用户调度之后，不同用户使用不同的波束集合与基站进行通信，用户之间的波束互不重叠，即i≠j，同时各用户波束不超过最大波束限制，即|B_i|≤B_max。每个用户与其相应的传输波束集合之间构成单用户MIMO链路。上行链路中，基站仅在波束B_i上接收第i个用户的信号。下行链路中，基站将第i个用户的信号通过波束集合B_i进行发射。由此实现同一时频资源上波束域多用户空分多址传输。

图5为上行链路传输与传统传输方案对比示意图。图5（a）所示为传统MAC信道传输模型，基站在空间域中接收所有用户信号的叠加，接收处理需要联合处理，在用户个数和收发天线数增多的情况下，其导频开销和系统复杂性都显著增加，信道信息获取成为瓶颈问题。图5（b）所示为波束域多用户空分多址传输方案的上行链路模型，利用各用户在波束域的可分性，各用户在选定的波束上与基站进行通信，各用户的发送信号包括导频和数据信号，不同用户的导频信号不需要相互正交，由此解决信道信息获取瓶颈问题，且基站在不同的波束集合上接收不同用户的信号，处理复杂度较低。基站在波束集合B_i上接收的第i个用户的信号为

$y_i^{\mathrm{up}}=\sqrt{P_i^{\mathrm{up}}}{\left[H_i^{\mathrm{up}}\right]}^{B_i}{x}_i^{\mathrm{up}}+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{P_j^{\mathrm{up}}}{\left[H_i^{\mathrm{up}}\right]}^{B_i}{x}_j^{\mathrm{up}}+n_i$

(16)

$=\sqrt{P_i^{\mathrm{up}}}{\left[H_i^{\mathrm{up}}\right]}^{B_i}{x}_i^{\mathrm{up}}+n_i^{\′}$

其中，

为第i个用户的波束域发射信号，

为其发射功率，n_i为加性白高斯噪声（AWGN），n′_i为其他用户在该用户波束上的干扰信号与n_i之和。对于该用户进行检测译码时，基站仅利用波束B_i上的接收信号

不需利用其他波束上的接收信号。

图6为下行链路传输与传统方案对比示意图。传统的BC信道如图6（a）所示，基站发射所有用户信号的叠加，发送端往往需要知道瞬时信道状态信息，用户个数和收发天线数增加的情况下，存在信道信息获取的瓶颈问题和发送处理的复杂性问题。图6（b）所示为波束域多用户空分多址传输方案的下行链路模型，基站将各用户的信号通过其对应的波束集合进行发射，各用户波束集合上仅发射该用户的信号，不同用户所使用的波束集合互不重叠，发送处理的复杂度较低；各用户的导频信号不需要相互正交，由此解决下行链路信道信息获取瓶颈问题。第i个用户接收到信号为：

$y_i^{\mathrm{down}}=\sqrt{P_i^{\mathrm{down}}}{\left[H_i^{\mathrm{down}}\right]}^{B_i}{x}_i^{\mathrm{down}}+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{P_j^{\mathrm{down}}}{\left[H_i^{\mathrm{down}}\right]}^{B_j}{x}_j^{\mathrm{down}}+n_i$

(17)

$=\sqrt{P_i^{\mathrm{down}}}{\left[H_i^{\mathrm{down}}\right]}^{B_i}{x}_i^{\mathrm{down}}+n_i^{\′}$

其中，

为第i个用户的波束域发射信号，

为其发射功率，n_i为AWGN，n′_i为其他用户的干扰信号与n_i之和。对于该用户进行检测译码时，利用接收信号

将n_i′视为彩色干扰噪声处理。

（6）上行链路传输具体实施过程

经过用户调度之后，上行链路传输等效为多条单用户MIMO链路，调度用户使用同一时频资源与基站进行通信，整个传输过程分为导频训练和数据传输两个部分，基站根据调度结果在各用户相应的波束上接收信号，利用接收导频信号，辅之以接收数据信号，估计瞬时信道信息以及干扰的相关阵，并利用其对数据信号进行相干接收处理。具体传输过程描述如下：

1）上行链路中，各用户在给定的时频资源上发送导频训练信号，不同用户之间的导频信号不要求正交，可以复用导频信号，同一用户不同天线之间的导频要求正交。

2）各用户在非导频时频资源上发送数据信号。

3）基站根据用户调度结果，对于用户u在波束B_u上进行信道估计，获得波束域中的瞬时信道信息

以及干扰的相关阵

4）基站在波束B_u上接收第u个用户的信号为

利用干扰的相关阵

将接收到的信号进行白化处理，得到等效白噪声信道的接收信号，

$r_u^{\mathrm{up}}={\left(K_u^{\mathrm{up}}\right)}^{-1/2}{y}_u^{\mathrm{up}}---\left(18\right)$

利用波束B_u上等效信道的瞬时信息

和接收信号进行发送信号

的相干检测。

（7）下行链路传输具体实施过程

下行链路传输同样等效为多条单用户MIMO链路，基站在下行链路的同一时频资源上与调度的用户进行通信，下行链路传输过程分为导频训练和数据传输两个部分，基站将各用户的导频和数据信号映射到相应的波束集合上进行发射，各用户根据接收导频信号，辅之以接收数据信号，估计瞬时信道信息以及干扰的相关阵，并利用其进行相干接收处理。具体传输过程描述如下：

1）基站在给定的时频资源上发送导频训练信号，将各用户的导频信号映射到不同的波束集合上进行发射，不同用户之间的导频信号不要求正交，可以复用导频信号，同一个用户不同波束之间的导频要求正交。2）基站在非导频时频资源上将各用户的数据信号映射到相应的波束上进行发送。

3）用户u根据接收到的导频信号，辅之以接收数据信号，对波束B_u上的信道

进行估计，获得波束域中的瞬时信道信息

以及干扰的相关阵 $K_u^{\mathrm{down}}=E\left\{n_u^{\mathrm{down}}{\left(n_u^{\mathrm{down}}\right)}^H\right\}.$

4）用户u接收到信号

利用干扰的相关阵

将接收到的信号进行白化处理，得到等效白噪声信道的接收信号，

$r_u^{\mathrm{down}}={\left(K_u^{\mathrm{down}}\right)}^{-1/2}{y}_u^{\mathrm{down}}---\left(19\right)$

利用波束B_u上等效信道的瞬时信息和接收信号

进行发送信号

的相干检测。

该传输方案适用于FDD和TDD系统。在FDD系统中，上行链路和下行链路使用不同的频率，因而其瞬时信道信息不同，需要单独估计信道信息，即上行链路和下行链路需要单独估计瞬时信道信息以及干扰的相关阵；在TDD系统中，上行链路和下行链路可以单独进行信道估计，也可以利用上行链路和下行链路的互易性，仅在上行链路或下行链路发送导频信号，即可获得上下行链路的信道信息，但上行链路和下行链路的干扰不同，因此，对于干扰的相关阵的估计，上行和下行链路需要单独进行估计。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法，在没有超过本申请的精神和范围内，可以通过其他的方式实现。当前的实施例只是一种示范性的例子，不应该作为限制，所给出的具体内容不应该限制本申请的目的。例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种利用大规模天线阵列的无线通信方法，其特征在于该方法具体为：

a.无线通信的基站侧配备大规模天线阵列，构成天线阵列的天线单元个数为数十个以上，天线单元间距为半个波长的量级，天线阵列为一维或二维阵列，能够对基站所覆盖的区域形成数十个以上的波束覆盖；

b.基站侧通过使用模拟多波束成形网络或数字域多波束成形方法实现空间资源的波束域划分，基站在同一时频资源上与多个用户进行无线通信，通信过程在波束域中实施；

c.每个用户使用不同的时频资源发送探测信号，基站根据接收到的探测信号获得每个用户的波束域长时信道信息；

d.利用波束域长时信道信息，进行波束域用户调度，确定可以在同一时频资源上通信的用户，并为其中各用户分配相应的波束集合；

e.各用户在其选定的波束集合上与基站进行通信，在同一时频资源上通信的各个用户所占的波束集合互不重叠，从而实现波束域多用户空分多址传输；

f.上行链路中，同一时频资源上通信的各个用户同时传输导频和数据信号，基站在不同的波束集合上对各用户进行接收处理，不同用户的导频信号不要求相互正交，导频可以在空分用户间复用；

g.下行链路中，在同一时频资源上，基站在选定的波束集合上向各个用户同时发送信号，包括导频信号和数据信号，各用户进行接收处理，不同用户的导频信号不要求相互正交，导频可以在空分用户间复用。

2.根据权利要求1所述的利用大规模阵列天线的无线通信方法，其特征在于：所述的大规模天线阵列中，各天线单元通过各自的收发射频单元、模数/数模转换单元、数字光模块及光纤传输通道与无线通信数字基带处理单元相连，通过数字域多波束成形实现小区的大规模波束覆盖；大规模天线阵列也可以通过模拟多波束成形网络实现小区的大规模波束覆盖，并将波束域收发信号端口通过模数/数模转换单元、数字光模块及光纤传输通道与无线通信数字基带处理单元相连。

3.根据权利要求1所述的利用大规模阵列天线的无线通信方法，其特征在于：所述的基站与多个用户的无线通信在波束域实施，基站侧波束域数字基带处理与控制系统包括波束处理单元、用户处理单元、交换处理单元、空分多用户调度等模块；每个波束处理单元完成单个或多个波束的发送后处理或接收预处理，每个用户处理单元完成一个或多个用户频域发送信号的生成和接收信号的处理，交换处理单元完成波束处理单元与用户处理单元的信号交互，空分多用户调度单元完成空分多用户调度。

4.根据权利要求1所述的利用大规模阵列天线的无线通信方法，其特征在于：所述的波束域长时信道信息获取由上行链路的信道探测过程完成；在上行链路，各用户间歇地发送探测信号，所有用户的探测信号可以在一个时隙的一个OFDM符号上发送，不同用户探测信号使用不同的子载波资源，各用户中不同的天线在不同的子载波上发送探测信号，每个用户多个天线所占的子载波资源为相邻子载波组成的多组子载波资源，各个天线使用这些子载波组中不同编号的子载波；在基站的每个波束上，根据接收到的探测信号，估计各用户波束域信道参数，由此计算出各用户信道特征模式能量耦合矩阵，即实施多用户空分调度所需的波束域长时信道信息。

5.根据权利要求1所述的利用大规模阵列天线的无线通信方法，其特征在于：所述的波束域用户调度由基站侧空分多用户调度处理模块依据信道长时信息完成，利用前述获得的各用户波束域长时信道信息，依据系统和速率最大准则，对小区中的用户进行调度，确定可使用同一时频资源通信的多个用户以及各用户使用的波束，调度后，通信各用户的传输波束互不重叠，用户在波束域中进行空分多址传输；用户调度可以通过贪婪算法或简化贪婪算法完成，对所有用户及波束进行遍历搜索，考虑当前用户在剩余波束集合中有无可用波束以及该用户加入选择用户集合对系统和速率性能的影响，选取使系统和速率增加最大的用户加入选择用户集合。

6.根据权利要求1所述的利用大规模阵列天线的无线通信方法，其特征在于：所述的波束域多用户空分多址传输利用大规模阵列天线的空间角度分辨率和各用户信道在波束域中的局部性特征，实现对不同位置不同方向用户的区分；在同一时频资源上，不同用户使用不同的波束集合与基站进行通信，用户之间的波束集合互不重叠，同时各用户波束不超过最大波束限制；每个用户与其相应的多个波束口之间构成单用户MIMO链路，上行链路中基站在各用户相应的波束集合上处理其接收信号，下行链路中基站在各用户相应的波束集合上发送其信号。

7.根据权利要求1所述的利用大规模阵列天线的无线通信方法，其特征在于：所述的各用户上行链路传输过程涉及导频训练和数据传输两个部分，各用户在给定的时频资源上发送导频信号，不同用户之间的导频信号不要求正交，可以复用导频信号，同一用户不同天线之间的导频要求正交，基站在各用户相应的波束上利用接收导频信号，辅之以接收数据信号，估计瞬时信道信息以及干扰的相关阵，并由此对数据信号进行相干接收处理。

8.根据权利要求1所述的利用大规模阵列天线的无线通信方法，其特征在于：所述的各用户下行链路传输过程涉及导频训练和数据传输两个部分，基站在给定的时频资源上发送导频信号，将各用户的导频信号映射到不同的波束集合上进行发射，不同用户之间的导频信号不要求正交，可以复用导频信号，同一个用户不同波束之间的导频信号要求正交，各用户利用接收导频信号，辅之以接收数据信号，估计瞬时信道信息以及干扰的相关阵，并由此对数据信号进行相干接收处理。

Images