CN103199908A - 一种适用于宽带集群系统的自适应切换波束赋形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于宽带集群系统的自适应切换波束赋形方法，对用户进行分簇，根据情况采用簇内用户平均角度或全部角度来计算信道矩阵，对信道矩阵进行简化，从而进行波束赋形向量的计算，并且采用迭代计算波束赋形向量的方法来弥补接收信噪比的降低。本发明利用成簇用户之间信道的相关性，降低波束赋形向量的计算复杂度，同时本发明由基站根据用户数量与角度进行判断，采用适当的波束赋形方案，实现对波束赋形的自适应切换。

Description

一种适用于宽带集群系统的自适应切换波束赋形方法

技术领域

本发明属于宽带集群系统技术领域，更为具体地讲，涉及一种适用于宽带集群系统的自适应切换波束赋形方法。

背景技术

组播波束赋形是无线通信领域中物理层关键技术之一，其原理主要是通过在收发端配置多天线进行空分复用（SDMA, Space Division Multiple Access）来提高用户服务质量和基站的覆盖范围。现有的研究主要依据QoS (Quality ofService, 服务质量)或者MMF（maximize-minimum-fair，最大化最小接接受信噪比）的准则来求解赋形向量。

图1是传统单群组波束赋形示意图。如图1所示，基站有N根发射天线（均匀直线阵），同一群组内的M个用户分布在基站的四周。为便于分析角度信息对波束赋形的影响，考虑在远场视距下，基站与用户i之间的信道为范德蒙信道的情形，即：

$h_i=v\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=[1,e^{j{\mathrm{\θ}}_i},e^{j2{\mathrm{\θ}}_i},\·\·\·,e^{j(N-1){\mathrm{\θ}}_i}{]}^T---\left(1\right)$

图2是天线发射信号示意图。如图2所示，θ_i＝-2πcosφ_i/λ,i∈{1,…M}，其中φ_i是用户的波达角度，d为天线间距，λ为载波波长。发射赋形向量为w＝[w₁,w₂…w_N]^T，发射信号为单位能量（|s|²＝1）的s，用户i与基站间的噪声视为方差为

的高斯白噪声n_i，则用户i的接收信号为：

$r_i=h_i^H\mathrm{ws}+n_{i---\left(1\right)}$

由此可推出，用户i的接收信噪比为:

${\mathrm{\γ}}_i=\frac{{\left|h_i^H\mathrm{ws}\right|}^2}{s{\mathrm{\σ}}_i^2}=\frac{{\left|h_i^{H}w\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}_i^2}---\left(2\right)$

给出信号和系统模型之后，采用QoS准则计算波束赋形向量w：

其中，γ_i为每个用户i要求的最小接收信噪比。

或采用MMF准则计算波束赋形向量w：

其中，P为受限的发射功率。

通俗地讲，(3)式表达的QoS准则是在一定服务质量下最小化发射功率，(4)表达的MMF准则是在发射功率一定下最大化最差用户的接收信噪比。但是遗憾的是，不管使用QoS准则还是MMF准则，其求解过程都是非凸的，需要借助SDP（Semi-Definite Programming,半定规划）的方法辅助求解。

宽带集群系统是一种具有特殊应用的专网系统，组播是其主要的业务。集群系统下的组播业务也有其自身的特点：首先，组播业务发生时，如交通事故处理、应急指挥调度时，需要反应迅速，对时延比较敏感；其次，组播内用户经常成簇出现，即地理位置上分区密集排布的可能性比较大。

基于实时性的要求，若把一般的组播赋形方法直接引入具体的集群系统中去，尤其是在用户数很多的情况下，对整个系统的硬件和软件都将是巨大的挑战，因此设计低复杂度的波束赋形算法势在必行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于宽带集群系统的自适应切换波束赋形方法，当用户数较多时，通过用户角度分布的规律进行自适应切换的赋形算法，降低波束赋形算法的复杂度。

为实现上述发明目的，本发明适用于宽带集群系统的自适应切换波束赋形方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）、基站搜集其覆盖范围内的用户数量M与各用户的角度φ_i,1≤i≤M，获得信道矩阵H＝{h₁,…,h_i,…,h_M}和各用户的最小接收信噪比γ_i，其中

θ_i＝-2πcosφ_i/λ,i∈{1,…M}，其中φ_i是用户的波达角度，λ为载波波长；

（2）、根据实际情况设置用户数量阈值M_th，如果用户数量M≥M_th，进入步骤（4）；如果用户数量M＜M_th，进入步骤（3）；

（3）、根据各用户的角度φ_i，采用现有的QoS准则或MMF准则进行波束赋形，本次波束赋形结束；

（4）、设置用户角度间距阈值α，对用户角度进行分簇，如果存在分簇，进入步骤（6）；如果所有用户角度属于同一簇，进入步骤（5）；

（5）、基站向各用户以广播方式传递信息，本次波束赋形结束；

（6）、记簇群的个数为K，即M个用户分在K个簇内，第k(1≤k≤K)个簇内用户集合为

其中|C_k|表示第k个簇内用户的个数，表示第k个簇内的第n个用户；设置簇群用户数阈值C_th，如果|C_k|≥C_th，则根据簇内用户的角度信息求出平均角度φ_k：

${\mathrm{\φ}}_k=\frac{\underset{n=1}{\overset{\left|C_k\right|}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{c_n^k}^k}{\left|C_k\right|}$

如果|C_k|＜C_th，则取该簇内所有用户的角度，令

（7）、构建等效信道矩阵H^*＝{h₁,…,h_k,…,h_K}，其中， $h_k=v\left({\mathrm{\θ}}_k\right)=[1,e^{j{\mathrm{\θ}}_k},e^{j2{\mathrm{\θ}}_k},\·\·\·,e^{j(N-1){\mathrm{\θ}}_k}{]}^T,$ θ_k＝-2πcosφ_k/λ，N为基站发射天线数量，λ为载波波长；

对于采用平均角度的簇群，第i个用户的接收信噪比γ_i映射到对应的簇内，得到簇内用户的最大接收信噪比为：

对于采用所有角度的簇群，簇内用户接收信噪比矩阵为：

（8）、根据等效信道矩阵H^*和簇内用户接收信噪比γ^k，采用波束赋形策略计算波束赋形向量w；

（9）、根据步骤（8）求得的波束赋形向量w和实际信道矩阵H，计算用户i的实际接收信噪比γ′_i,与最小接收信噪比γ_i比较，如果γ′_i≥γ_i,接收信噪比合格，令放缩系数Scale_i＝1；如果γ′_i<γ_i,则接收信噪比不合格，令放缩系数Scale_i=γ_i/γ′_i;

统计放缩系数Scale_i＝1的用户数，计算用户接收信噪比合格率G，即接收信噪比合格的用户占所有用户的比例，根据实际情况设置合格率阈值G_th，如果G≥G_th，则用户接收信噪比合格率满足要求，结束本次波束赋形；如果G＜G_th，则对用户进行放缩；对于第k簇内用户的放缩为：

${\mathrm{Scale}}^k=\underset{c_n^k\&Element;C_k}{\max }{\mathrm{Scale}}_n$

对应的γ^k更新为γ^k＝γ^k*Scale^k，返回步骤（8）重新计算波束赋形向量w。

其中，步骤（8）中的波束赋形策略为QoS准则，根据等效信道矩阵H^*和簇内用户接收信噪比γ^k计算波束赋形向量w。

其中，步骤（8）中的波束赋形策略为MMF准则，根据等效信道矩阵H^*和基站的受限发射功率P计算波束赋形向量w，其中受限发射功率P根据基站实际情况确定。

进一步地，本发明还包括以下步骤：

（10）、根据实际情况预设赋形间隔时间T_interval，一次波束赋形结束后，经过时间T_interval，基站重新搜集信道与用户信息进行波束赋形。

本发明适用于宽带集群系统的自适应切换波束赋形方法，对用户进行分簇，根据情况采用簇内用户平均角度或全部角度来计算信道矩阵，从而进行波束赋形向量的计算，利用成簇用户之间信道的相关性，降低波束赋形向量的计算复杂度。虽然复杂度的降低会带来的接收信噪比的降低，但本发明通过迭代的方式计算波束赋形向量，从而达到接收信噪比要求。此外，本发明由基站根据用户数量与角度进行判断，采用适当的波束赋形方案，实现对波束赋形的自适应切换。

附图说明

图1是传统单群组波束赋形示意图；

图2是天线发射信号示意图；

图3是本发明适用于宽带集群系统的自适应切换波束赋形方法一种具体实施方式流程图；

图4是所有用户角度属于同簇的示意图；

图5是用户角度分布成簇的示意图；

图6是本发明与传统波束赋形方法的计算时间随簇内用户数量变化的对比曲线图；

图7是本发明与传统波束赋形方法的用户平均接收信噪比随簇内用户最大偏移角度变化的对比曲线图；

图8是本发明与传统波束赋形方法的发送功率随簇内用户最大偏移角度变化的对比曲线图；

图9是本发明与传统波束赋形方法的用户接收信噪比合格率随簇内用户最大偏移角度变化的对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图3是本发明适用于宽带集群系统的自适应切换波束赋形方法一种具体实施方式流程图。如图3所示，本发明包括以下步骤：

步骤S301：基站搜集其覆盖范围内的用户数量M与各用户的角度φ_i,1≤i≤M，获得信道矩阵H＝{h₁,…,h_i,…,h_M}和各用户的最小接收信噪比γ_i，其中 $h_i=v\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)=[1,e^{j{\mathrm{\&theta;}}_i},e^{j2{\mathrm{\&theta;}}_i},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,e^{j(N-1){\mathrm{\&theta;}}_i}{]}^T,$ θ_i＝-2πcosφ_i/λ,i∈{1,…M}，其中φ_i是用户的波达角，d为天线间距，λ为载波波长。

步骤S302：根据实际情况设置用户数量阈值M_th，如果用户数量M≥M_th，进入步骤S304；如果用户数量M＜M_th，进入步骤S303。

步骤S303：根据各用户的角度φ_i，采用现有的QoS准则或MMF准则进行波束赋形，本次波束赋形结束，返回步骤S301等待进入下一次波束赋形。

步骤S304：判断用户角度是否成簇：

设置用户角度间距阈值α，对用户角度进行分簇，如果存在分簇，进入步骤S306；如果所有用户角度属于同一簇，即无分簇现象，进入步骤S305。分簇方法是领域内现有技术。

图4是所有用户角度属于同簇的示意图。图5是用户角度分布成簇的示意图。当用户角度存在分簇现象时，通过求簇内平均角度从而对信道矩阵进行简化，降低算法复杂度。

步骤S305：基站向各用户以广播方式传递信息，本次波束赋形结束，返回步骤S301等待进入下一次波束赋形。

步骤S306：计算等效信道矩阵和接收信噪比，包括以下步骤：

①、记簇群的个数为K，即M个用户分在K个簇内，第k(1≤k≤K)个簇内用户集合为其中|C_k|表示第k个簇内用户的个数，表示第k个簇内的第n个用户；设置簇群用户数阈值C_th，如果|C_k|≥C_th，则根据簇内用户的角度信息求出平均角度φ_k如下所示：

${\mathrm{\&phi;}}_k=\frac{\underset{n=1}{\overset{\left|C_k\right|}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&phi;}}_{c_n^k}^k}{\left|C_k\right|}---\left(5\right)$

如果|C_k|＜C_th，则取该簇内所有用户的角度，令

可以看出，当用户数目较多的时候，φ_k是一个数值，而用户数目较少的时候，φ_k是一个包含该簇所有用户角度信息的矩阵。

②、将信道矩阵H精简为等效信道矩阵H^*：

$\&DoubleDownArrow;---\left(6\right)$

$H^{*}=\{h_1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,h_k,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,h_K\}$

其中， $h_k=v\left({\mathrm{\&theta;}}_k\right)=[1,e^{j{\mathrm{\&theta;}}_k},e^{j2{\mathrm{\&theta;}}_k},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,e^{j(N-1){\mathrm{\&theta;}}_k}{]}^T,$ θ_k＝-2πcosφ_k/λ，N为基站发射天线数量，λ为载波波长。

在用户数少的簇群中，φ_k是一个1×|C_k|的矩阵，由φ_k生成的

即为N×|C_k|的矩阵；在用户数目多的簇群，φ_k取平均角度，因此

即为N×1的矩阵。

同样的，对于用户数目多、采用平均角度的簇群，原来第i个用户的接收信噪比γ_i也映射到对应的簇内，得到簇内用户的最大接收信噪比为：

${\mathrm{\&gamma;}}^k=\underset{c_n^k\&Element;C_k}{\max }{\mathrm{\&gamma;}}_n---\left(7\right)$

对于用户数量少、采用所有角度的簇群，簇内用户接收信噪比矩阵为：

${\mathrm{\&gamma;}}^k=[{\mathrm{\&gamma;}}_1^k,{\mathrm{\&gamma;}}_2^k\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,{\mathrm{\&gamma;}}_{\left|C_k\right|}^k]---\left(9\right)$

步骤S307：根据等效信道矩阵H^*和簇内用户接收信噪比γ^k，基站的受限发射功率P，其中受限发射功率P根据基站实际情况确定，根据波束赋形策略计算波束赋形向量w。本实施例中可采用以下两种方式：

①、根据等效信道矩阵H^*和簇内用户接收信噪比γ^k，采用QoS准则计算波束赋形向量w。

②、根据等效信道矩阵H^*和基站的受限发射功率P，采用MMF准则计算波束赋形向量w。

步骤S308：根据求得的波束赋形向量w和实际信道矩阵H，计算用户i的实际接收信噪比γ′_i,如果γ′_i≥γ_i,则满足接收信噪比要求，接收信噪比合格，不需要进行放缩，令放缩系数Scale_i＝1；如果γ′_i<γ_i,则接收信噪比不合格，不满足接收信噪比要求，需要进行放缩，令放缩系数Scale_i=γ_i/γ′_i;

统计放缩系数Scale_i＝1的用户数，计算用户接收信噪比合格率G，即接收信噪比合格的用户占所有用户的比例，根据实际情况设置合格率阈值G_th，如果G≥G_th，则用户接收信噪比合格率满足要求，结束本次波束赋形，返回步骤S301等待进入下一次波束赋形；如果G＜G_th，则进入步骤S309对用户进行放缩；

步骤S309：对于第k簇内用户的放缩为：

${\mathrm{Scale}}^k=\underset{c_n^k\&Element;C_k}{\max }{\mathrm{Scale}}_n---\left(10\right)$

对应的γ^k更新为γ^k＝γ^k*Scale^k，返回步骤S307重新计算波束赋形向量w。

可见，步骤S307至步骤S309构成一个迭代循环，使用户接收信噪比合格率G达到合格率阈值G_th，以保证通信质量。

在本发明实施时，还可根据实际情况预设赋形间隔时间T_interval，在本次波束赋形结束后，经过时间T_interval，基站重新搜集信道与用户信息进行波束赋形。如果用户分布比较稳定，间隔时间T_interval可以设置相对较长；如果用户分布变化比较快，间隔时间T_interval就设置相对较短。

本实施例对本发明进行软件仿真，为更好地说明本发明的优势，本实施例将用户分成6簇，每簇均求平均角度，其中心角度分别为0°、60°、120°、180°、240°、300°，用户接收信噪比γ_i都设为1。设置用户接收信噪比合格率阈值G_th，进行一次迭代。在100次蒙特卡洛仿真下，得到如图6、图7、图8、图9的仿真结果。

图6是本发明与传统波束赋形方法的计算时间随簇内用户数量变化的对比曲线图。本次仿真中簇内用户最大偏移角度固定为2°，共计进行100次波束赋形。如图2所示，当每一簇用户数量增大时，采用代入全部角度信息进行计算的传统波束赋形方法的计算时间随用户数量线性增加，而本发明采用平均角度信息，计算时间基本维持不变，即使是在算法运行过程中产生了一次迭代，其计算时间虽较未迭代增加一倍，但仍然不随用户数量的增加产生较大的变化。可见，本发明在用户数量较大时，具有明显优势。

图7是本发明与传统波束赋形方法的用户平均接收信噪比随簇内用户最大偏移角度变化的对比曲线图。图8是本发明与传统波束赋形方法的发送功率随簇内用户最大偏移角度变化的对比曲线图。本次仿真中每一簇用户数量固定为20。如图7所示，采用本发明未进行迭代时，用户平均接收信噪比与代入全部角度信息进行计算的传统波束赋形方法相比相对较差，但是进行迭代一次后，用户平均接收信噪比大大改善，且在用户最大偏移角度增加时，虽然如图8所示会带来发送功率的增加，但是用户接收信噪比远远优于传统波束赋形方法。

图9是本发明与传统波束赋形方法的用户接收信噪比合格率随簇内用户最大偏移角度变化的对比曲线图。本次仿真中每一簇用户数量固定为20。由于传统波束赋形方法采用的是所有用户角度，因此其用户接收信噪比合格率为100%。本发明由于采用平均角度对信道矩阵进行了简化，因此在未进行迭代时合格率远小于100%，但是通过与最小接收信噪比进行比较并放缩，迭代后的合格率基本达到100%，如果采用多次迭代本发明的用户接收信噪比合格率可达到理想水平。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种适用于宽带集群系统的自适应切换波束赋形方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、基站搜集其覆盖范围内的用户数量M与各用户的角度φ_i,1≤i≤M，获得信道矩阵H＝{h₁,…,h_i,…,h_M}和各用户的最小接收信噪比γ_i，其中 $h_i=v\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)=[1,e^{j{\mathrm{\&theta;}}_i},e^{j2{\mathrm{\&theta;}}_i},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,e^{j(N-1){\mathrm{\&theta;}}_i}{]}^T,$ θ_i＝-2πcosφ_i/λ,i∈{1,…M}；

（2）、根据实际情况设置用户数量阈值M_th，如果用户数量M≥M_th，进入步骤（4）；如果用户数量M＜M_th，进入步骤（3）；

（3）、根据各用户的角度φ_i，采用现有的QoS准则或MMF准则进行波束赋形，本次波束赋形结束；

（4）、设置用户角度间距阈值α，对用户角度进行分簇，如果存在分簇，进入步骤（6）；如果所有用户角度属于同一簇，进入步骤（5）；

（5）、基站向各用户以广播方式传递信息，本次波束赋形结束；

（6）、记簇群的个数为K，即M个用户分在K个簇内，第k(1≤k≤K)个簇内用户集合为

其中|C_k|表示第k个簇内用户的个数，

表示第k个簇内的第n个用户；设置簇群用户数阈值C_th，如果|C_k|≥C_th，则根据簇内用户的角度信息求出平均角度φ_k：

${\mathrm{\&phi;}}_k=\frac{\underset{n=1}{\overset{\left|C_k\right|}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&phi;}}_{c_n^k}^k}{\left|C_k\right|}$

如果|C_k|＜C_th，则取该簇内所有用户的角度，令

（7）、构建等效信道矩阵H^*＝{h₁,…,h_k,…,h_K}，其中， $h_k=v\left({\mathrm{\&theta;}}_k\right)=[1,e^{j{\mathrm{\&theta;}}_k},e^{j2{\mathrm{\&theta;}}_k},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,e^{j(N-1){\mathrm{\&theta;}}_k}{]}^T,$ θ_k＝-2πcosφ_k/λ，N为基站发射天线数量，λ为载波波长；

对于采用平均角度的簇群，第i个用户的接收信噪比γ_i映射到对应的簇内，得到簇内用户的最大接收信噪比为：

对于采用所有角度的簇群，簇内用户接收信噪比矩阵为：

（8）、根据等效信道矩阵H^*和簇内用户接收信噪比γ^k，采用波束赋形策略计算波束赋形向量w；

（9）、根据步骤（8）求得的波束赋形向量w和实际信道矩阵H，计算用户i的实际接收信噪比γ′_i,如果γ′_i≥γ_i,接收信噪比合格，令放缩系数Scale_i＝1；如果γ′_i≥γ_i,则接收信噪比不合格，令放缩系数Scale_i=γ_i/γ′_i;

统计放缩系数Scale_i＝1的用户数，计算用户接收信噪比合格率G，如果G≥G_th，则用户接收信噪比合格率满足要求，结束本次波束赋形；如果G＜G_th，则对用户进行放缩；对于第k簇内用户的放缩为：

${\mathrm{Scale}}^k=\underset{c_n^k\&Element;C_k}{\max }{\mathrm{Scale}}_n$

对应的γ^k更新为γ^k＝γ^k*Scale^k，返回步骤（8）重新计算波束赋形向量w。

2.根据权利要求1所述的自适应切换波束赋形方法，其特征在于，所述的步骤（8）中的波束赋形策略为QoS准则，根据等效信道矩阵H^*和簇内用户接收信噪比γ^k计算波束赋形向量w。

3.根据权利要求1所述的自适应切换波束赋形方法，其特征在于，所述的步骤（8）中的波束赋形策略为MMF准则，根据等效信道矩阵H^*和基站的受限发射功率P计算波束赋形向量w，其中受限发射功率P根据基站实际情况确定。

4.根据权利要求1至3任一所述的自适应切换波束赋形方法，其特征在于，还包括以下步骤：

（10）、根据实际情况预设赋形间隔时间T_interval，一次波束赋形结束后，经过时间T_interval，基站重新搜集信道与用户信息进行波束赋形。

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