CN103401595B - 一种具有记忆功能的基于角度的机会波束成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有记忆功能的基于角度的机会波束成形方法，它涉及多小区蜂窝网络场景下多输入多输出(MIMO)无线通信系统。基于角度的机会波束成形方法的步骤，包括：基站开始角度扫描过程，基站向用户发送角度扫描信息和导频，基站收集用户反馈的信息，基站根据记忆功能选择波束向量，基站进行用户调度，基站向目标用户发送调度控制信息和相应的数据。本发明实施例公开的方法，采用基站配备了智能天线来根据定义好的算法产生波束，其中波束角度从0到2π变化导致信道波动从而使得系统更好的调度。

Description

一种具有记忆功能的基于角度的机会波束成形方法

技术领域

本发明涉及的是多小区蜂窝网络场景下多输入多输出(MIMO)无线通信系统，具体涉及一种具有记忆功能的基于角度的机会波束成形方法

背景技术

在蜂窝系统中，平均吞吐量是测量系统性能的一个重要指标。同时，比例公平调度是获得分集增益的一个重要手段。在实际信道中，阴影和距离时间的变化会导致衰落的发生。信道的衰落会影响信道性能，所以所有的方法包括机会波束成形的提出是为了来改善系统的性能和调度。

机会波束成形的提出就是为了引发速度更快、幅度更大的信道波动来放大多用户分集增益。而要得到速度更快、幅度更大的信道波动，就需要多副发射天线来实现这一目的。机会波束成形不需要改变信号的调制模式或者增加而外的导频来测量单个发射天线的信道。实际上接收机是不知道多跟发射天线的存在的。那么机会波束成形技术就可以具体解释为：通过改变分配给发射天线的相位和功率，对波束进行随机扫描并在任意时刻安排给当前距离该波束最近的用户发射。

随机波束成形作为一种在多小区下的波束成形技术，有效的提高了系统的性能。但是在慢衰落的条件下，由于信道波动的不足使得系统性能减小。

在大多数提出来的机会波束成形方案中，波束角度都是随机产生的，那么如果波束角度按照一定的顺序产生将会是个什么情况呢？

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种具有记忆功能的基于角度的机会波束成形方法，采用基站配备了智能天线来根据定义好的算法产生波束，其中波束角度从0到2π变化导致信道波动从而使得系统更好的调度。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种具有记忆功能的基于角度的机会波束成形方法，波束角度扫描变化的调度过程中结合了记忆功能，具体步骤包括：

(1)基站开始角度扫描过程。当前时刻基站的波束角度等于上一时刻基站的波束角度加上角度增量，从而产生当前时刻的波束角度。基站随机产生一个新的功率分数。基站结合产生的波束角度和功率分数产生一个新的机会波束矩阵。

(2)基站向用户发送角度扫描信息和导频。基站向用户发送结合波束角度和功率分数的机会波束矩阵码本和导频序列码本。用户从码本中选择出与其夹角最小的码字，从而得到当前时刻的机会波束矩阵和导频信息。

(3)基站收集用户反馈的信息。这些信息包括用户计算对应码字的信道质量信息(CQI)，用户反馈选中的码字编号、编码调制(MCS)编号和对上一次数据接收的确认信息。

(4)基站根据记忆功能选择波束向量。基站根据反馈回来的信道信息分别结合记忆波束向量集中的每个波束向量计算当前的用户速率，选出具有最优速率的波束向量。同时结合随机产生的一个波束向量计算当前的用户速率。然后分别将得到的用户速率比较，哪个波束向量相对于的用户速率大选哪个波束向量。然后更新记忆波束向量集。

(5)基站进行用户调度。根据用户的速率，结合多用户比例公平调度原则，对用户进行调度。

(6)基站向目标用户发送调度控制信息和相应的数据。基站向目标用户发送调度控制信息和相应的数据，包括向目标用户发送相应的波束信息和数据。

本发明采用基站配备了智能天线来根据定义好的算法产生波束，其中波束角度从0到2π变化导致信道波动从而使得系统更好的调度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为多小区蜂窝网络场景下的MU-MIMO通信的无线通信系统示意图；

图2为本发明的调度方法的操作流程图；

图3为本发明的角度扫描过程示意图；

图4为本发明的记忆功能过程示意图；

图5为本发明的用户调度过程示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图1-5，本具体实施方式采用以下技术方案：一种具有记忆功能的基于角度的机会波束成形方法，具体步骤包括：

(1)基站开始角度扫描过程。当前时刻基站的波束角度等于上一时刻基站的波束角度加上角度增量，从而产生当前时刻的波束角度。基站随机产生一个新的功率分数。基站结合产生的波束角度和功率分数产生一个新的机会波束矩阵。

(2)基站向用户发送角度扫描信息和导频。基站向用户发送结合波束角度和功率分数的机会波束矩阵码本和导频序列码本。用户从码本中选择出与其夹角最小的码字，从而得到当前时刻的机会波束矩阵和导频信息。

(3)基站收集用户反馈的信息。这些信息包括用户计算对应码字的信道质量信息(CQI)，用户反馈选中的码字编号、编码调制(MCS)编号和对上一次数据接收的确认信息。

(4)基站根据记忆功能选择波束向量。基站根据反馈回来的信道信息分别结合记忆波束向量集中的每个波束向量计算当前的用户速率，选出具有最优速率的波束向量。同时结合随机产生的一个波束向量计算当前的用户速率。然后分别将得到的用户速率比较，哪个波束向量相对于的用户速率大选哪个波束向量。然后更新记忆波束向量集。

(5)基站进行用户调度。根据用户的速率，结合多用户比例公平调度原则，对用户进行调度。

(6)基站向目标用户发送调度控制信息和相应的数据。基站向目标用户发送调度控制信息和相应的数据，包括向目标用户发送相应的波束信息和数据。

实施例：多小区蜂窝网络场景下MIMO通信系统是本专利的实现背景场景。图1描述了本专利的实现场景：多小区蜂窝网络MIMO通信系统100。图1实施例中基站支持3GPP长期演进(LTE)规范中规定的MU-MIMO操作的无线通信基站。在图1中基站102数目为3，但是实际基站数不限于3，用户104数目为2，但是实际每个基站中用户数目不限于2。图1所示为每个基站中的用户104不光收到本小区基站102的信号，同时也受到临近小区基站102的干扰。

图2举例说明了在无线通信系统100(图1)中基站的操作流程200。处理流程具体如下：

步骤S202中，基站开始初始化配置信息，准备开始进行通信。

步骤S204中，基站开始角度扫描模块。进一步结合图3解释角度扫描模块300，具体过程如下：

步骤S302中，基站开始角度扫描过程。

步骤S304中，基站开始初始化角度扫描信息，其中，波束初始角度为θ₀＝0，波束角度增量为Δθ＝1°。

步骤S306中，基站的天线开始一次扫描，当前时刻基站天线的波束角度为：

θ(t)＝θ₀+Δθ×t

(1)

步骤S308中，由于波束角度的范围是[0，360°]，基站开始判断波束角度是否在这个范围内，如果此时θ(t)＞360°，那么回到步骤S304，波束角度初始化为0，否则就运行下一个步骤。

步骤S310中，由于在步骤S306中已经得到了此时刻的波束角度θ(t)，那么接下来随机产生一个功率分数α(t)(α(t)∈[0，1])结合步骤S308中得到的波束角度θ(t)产生一个新的波束。我们假设小区基站数为N_B，每个基站配备了N_T根天线，每个小区的用户数为K，那么N_B个小区的总用户数为：N_U＝N_B×K。那么在基站b的波束矩阵为：

${\mathrm{\ω}}_b\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}\sqrt{{\mathrm{\α}}_{b,1}\left(t\right)}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_{b,1}\left(t\right)}\\ \sqrt{{\mathrm{\α}}_{b,2}\left(t\right)}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_{b,2}\left(t\right)}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \sqrt{{\mathrm{\α}}_{b,N_T}\left(t\right)}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_{b,NT}\left(t\right)}\end{array}\right]---\left(2\right)$

步骤S312中，角度扫描过程结束。

步骤S206中，基站向用户发送导频及步骤S204中角度扫描产生的波束矩阵的信息码本。发送导频是为了获知从小区到用户的信道状态，从而向基站反馈相关信息。

步骤S208中，用户向基站反馈信息。用户通过基站发送过来的导频得到当前的信道状态，结合当前时刻的角度扫描的波束角度和功率分数，计算出自己的CQI，然后反馈给基站。通过基站发送过来的导频和波束矩阵，第b个小区的第k个用户在时刻t接收到的信号表示为：

$y_k\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N_B}{\Σ}}\left(\underset{n=1}{\overset{N_T}{\Σ}}\sqrt{{\mathrm{\α}}_{i,n}\left(t\right)}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_{i,n}\left(t\right)}{h}_{i,n,k}\right(t\left)\right)x_i\left(t\right)+n_k\left(t\right)---\left(3\right)$

其中表示信道的加性噪声，表示信道增益，表示基站发送的导频信号。为了方便，公式(3)重新表示为：

$y_k\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N_B}{\Σ}}{h}_{i,k}^T\left(t\right)x_i\left(t\right)+n_k\left(t\right)---\left(4\right)$

其中是结合了波束的信道矩阵，是基站发送的导频信号矩阵，它们分别可以表示成：

$h_{i,k}\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}\sqrt{{\mathrm{\α}}_{i,1}\left(t\right)}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_{b,1}\left(t\right)}{h}_{i,1,k}\left(t\right)\\ \sqrt{{\mathrm{\α}}_{i,2}\left(t\right)}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_{i,2}\left(t\right)}{h}_{i,2,k}\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ \sqrt{{\mathrm{\α}}_{i,N_T}\left(t\right)}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_{i,N_T}\left(t\right)}{h}_{i,N_T,k}\left(t\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

和

$x_i\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{j,i}{s}_{j,i}---\left(6\right)$

其中表示指定给第i个基站的第j个信息流s_j，i的波束向量。这里有||q_j，i||＝1和我们通常令m_i＝N_T。

在步骤S206中通过基站发送过来的导频和波束矩阵，用户就可以计算自己的信道质量信息CQI：并将用户的CQI反馈给基站。

步骤S210中，基站接收到用户反馈来的CSIR，开始记忆模块。进一步结合图4解释用户调度模块，具体过程如下：

步骤S402中，记忆模块开始。此时根据用户反馈来的CSIR获知当前信道信息。

步骤S404中，基站给每个用户有一个记忆波束向量集(Q中的矩阵都是酉矩阵)，Q中的每个波束结合用户信道根据下面的公式(7)当前时刻计算用户速率。

第b个基站中第k个用户收到第j个信息流的SINR表示为：

$\mathrm{\γ}(b,k,j)=\frac{\frac{|h_{b,k}^T{q}_{b,j}{|}^2}{m_b}}{1+\underset{(i^{\′},j^{\′})\≠\left(\right(b,j)}{\Σ}\frac{|h_{i^{\′},k}^T{q}_{i^{\′},j^{\′}}{|}^2}{m_{i^{\′}}}}---\left(7\right)$

那么这个用户的瞬时用户速率就可以表示为：

R_k＝log₂(1+γ(b，k，j))

(8)

那么根据分别计算出来的用户速率，基站选出具有最高用户速率的波束向量

$i^{*}={\mathrm{argmax}}_{q_i}R(q_i,\mathrm{\θ}(t\left)\right)---\left(9\right)$

步骤S406中，基站随机产生一个波束向量q_rand，然后根据公式(7)和(8)计算出它的当前用户速率R(q_rand，θ(t))，然后步骤S404中选出来的波束的用户速率与R(q_rand，θ(t))比较。

步骤S408中，如果那么就选择波束q_rand作为向用户发送数据的波束向量。

步骤S410中，基站更新用户的记忆波束向量集，基站将记忆波束向量集中计算出的当前用户速率最小的波束向量

$i_{min}^{*}=\arg {\min }_{q_i}R(q_i,\mathrm{\θ}(t\left)\right)$

替换为步骤S406中随机产生的波束向量q_rand。

步骤S412中，如果那么基站选择记忆波束向量作为向用户发送数据的波束向量。

步骤S414中，记忆模块结束。

步骤S212中，基站开始用户调度模块。进一步结合图5解释用户调度模块500，具体过程如下：

步骤S502中，用户调度模块开始。

步骤S504中，基站根据比例公平调度原则选择当前时刻需要调度的用户。如果I为时刻t选择的调度用户序列，那么I的长度为N_T。当I是时刻t将要选择的调度用户序列时，让R_k|I(t)和T_k(t)分别表示用户k∈I在时刻t的信息速率和平均吞吐量。那么每个时隙用户I^*被调度了，那么：

$I^{*}=\arg \underset{I}{\max }\underset{k\∈I}{\Π}(1+\frac{R_{k|I}\left(t\right)}{(t_c-1)T_k\left(t\right)})---\left(10\right)$

其中t_c是上个窗口长度，我们根据角度扫描原则，可以知道波束角度变化范围为[0，360°]，那么可以令窗口长度为

那么这个时候系统平均吞吐量可以更新为：

$T_k(t+1)=\left\{\begin{array}{cc}(1-\frac{1}{t_c})T_k\left(t\right)+\frac{1}{t_c}{R}_{k|I}\left(t\right),& k\∈I\\ (1-\frac{1}{t_c})T_k\left(t\right),& k\∉I\end{array}\right.---\left(11\right)$

步骤S406中，基站向用户发送信息。根据步骤S404选择出来的调度用户，基站向目标用户发送调度控制信息和相应的数据。

步骤S408中，用户调度过程结束。

步骤S214中，基站向用户进行一次调度过程结束。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种具有记忆功能的基于角度的机会波束成形方法，其特征在于，波束角度扫描变化的调度过程中结合了记忆功能，具体步骤包括：

(1)基站开始角度扫描过程，当前时刻基站的波束角度等于上一时刻基站的波束角度加上角度增量，从而产生当前时刻的波束角度，基站随机产生一个新的功率分数，基站结合产生的波束角度和功率分数产生一个新的机会波束矩阵；

(2)基站向用户发送角度扫描信息和导频，基站向用户发送结合波束角度和功率分数的机会波束矩阵码本和导频序列码本，用户从码本中选择出与码本夹角最小的码字，从而得到当前时刻的机会波束矩阵和导频信息；

(3)基站收集用户反馈的信息，这些信息包括用户计算对应码字的信道质量信息(CQI)，用户反馈选中的码字编号、编码调制(MCS)编号和对上一次数据接收的确认信息；

(4)基站根据记忆功能选择波束向量，基站根据反馈回来的信道信息分别结合记忆波束向量集中的每个波束向量计算当前的用户速率，选出具有最优速率的波束向量，同时结合随机产生的一个波束向量计算当前的用户速率，然后分别将得到的用户速率比较，哪个波束向量相对于的用户速率大选哪个波束向量，然后更新记忆波束向量集；

(5)基站进行用户调度，根据用户的速率，结合多用户比例公平调度原则，对用户进行调度；

(6)基站向目标用户发送调度控制信息和相应的数据，基站向目标用户发送调度控制信息和相应的数据，包括向目标用户发送相应的波束信息和数据。