CN107171705B - 数模混合通信中的联合模拟波束及用户调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数模混合通信中的联合模拟波束及用户调度方法，该方法基于码书完成联合模拟波束及用户调度，其主要步骤包括模拟波束训练阶段和联合模拟波束及用户调度阶段。在模拟波束训练阶段，基站依次使用码本中的码字进行模拟波束训练，各用户向基站反馈测量得到的每个参考信号接收功率及其对应的码字索引号。在联合模拟波束及用户调度阶段，基站根据用户反馈的参考信号接收功率，形成相应的参考信号接收功率表格，根据本发明提供的用户调度方法进行联合模拟波束和用户调度。

Description

数模混合通信中的联合模拟波束及用户调度方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种数模混合通信中的联合模拟波束及用户调度方法。该方法通过模拟波束训练，将各用户对应每个码字训练得到的参考信号接收功率反馈给基站形成表格，基站根据用户反馈的参考信号接收功率信息进行联合模拟波束及用户调度。

背景技术

智能终端的广泛普及和网络容量的爆炸式增长，对实现高速率数据传输和可靠无线通信的需求日益迫切，在下一代无线通信系统中着重高频谱效率的关键技术研究，超稠密网络部署成为一种演进思路。毫米波凭借极大的带宽和极窄的波束成为一大研究热点，其短波长优势使得天线尺寸大幅减小，便于实现大规模天线阵列，天线阵列提供的阵列增益可以有效弥补毫米波的快衰落特性。

针对多用户多输入多输出(Multiple-User Multiple-Input Multiple-Output,MU-MIMO)系统，基站可以实现将多个数据流并行传输给多个用户，提高系统吞吐量。一条射频链路与一个发射子阵列相连，射频链路由于成本高昂在发射端仅配备有限的数量，而基站所能支持同时进行信号传输的用户数与基站发射子阵列数有关。因此，用户数较多时，在同一个时频资源上只能调度部分用户，有效合理的用户调度能够获得多用户分集增益。

在MU-MIMO系统中进行用户调度，需要充分考虑用户间干扰给系统性能带来的影响。数字波束成型技术要求每根天线配备一条射频链路，可以高效抑制用户间干扰，实现最优的系统性能，但是复杂度和成本过高。模拟波束成型技术通过使用相移器大幅降低了复杂度，但是系统性能受到影响。该方法基于码书完成联合模拟波束及用户调度，在模拟波束训练阶段，各用户对每个码字进行模拟波束训练，将相应的参考信号接收功率反馈给基站。在模拟波束及用户调度阶段，基站根据用户反馈的参考信号接收功率信息进行联合模拟波束及用户调度。相较于通过最优的穷举法同时选择多个用户和对应的模拟波束，复杂度显著降低。

发明内容

发明目的：本发明提供一种数模混合通信中的联合模拟波束及用户调度方法，可以同时调度多个用户及相应的模拟波束，提高系统容量，且所采用的调度方法简单，复杂度低。

技术方案：一种数模混合通信中的联合模拟波束及用户调度方法，包括如下步骤：

(1)基站依次使用码本中的码字对各用户进行模拟波束训练，各用户观测并记录每个码字所对应的参考信号接收功率并反馈给基站；

(2)基站收集到各个用户采用不同码字进行模拟波束训练时的参考信号接收功率后，首先根据参考信号接收功率最大准则调度第一个用户，然后以待调度用户的加入对已调度用户干扰满足所定义的性能准则为原则对其余用户进行联合模拟波束及用户调度。

作为优选，所述步骤(2)中采用如下方法1至方法4中的任一种对其余用户进行联合模拟波束及用户调度：

方法1：首先从候选码字索引号集合中选出使已调度用户的速率和最大的码字索引号作为最佳码字索引号，然后基于最佳码字索引号在候选用户集合中选出信干噪比最大的用户作为最佳调度用户；

方法2：首先从候选码字索引号集合中选出使已调度用户的信干噪比大于设定门限的码字索引号集合，然后从满足门限的码字索引号集合及候选用户集合中选出使待调度用户和已调度用户的速率和最大的用户和对应的码字索引号作为最佳用户码字索引号对；

方法3：首先从候选码字索引号集合中选出使已调度用户的干扰功率和最小的码字索引号作为最佳码字索引号，然后基于最佳码字索引号在候选用户集合中选出信干噪比最大的用户作为最佳调度用户；

方法4：从候选码字索引号集合和候选用户集合中选出具有最大参考信号接收功率的用户和对应的码字索引号作为最佳用户码字索引号对。

在具体实施时：

方法1中按照如下公式从候选码字索引号集合中选出最佳码字索引号m^*：

按照如下公式在候选用户集合中选出最佳用户n^*：

其中，U_A为候选用户集合，U_s为已调度用户集合，B_A为候选码字索引号集合，i为已调度用户，n为候选用户，m为候选码字索引号；分母上的1表示归一化噪声功率，i_c表示调度用户i使用的码字索引号，b_c表示调度用户b使用的码字索引号，

和P_i,m表示在不同码字索引号对应的码字时调度用户i的参考信号接收功率，

和表示在不同码字索引号对应的码字时候选用户n 的参考信号接收功率；U_s-{i}表示从集合U_s中移去已调度用户i。

方法2中按照如下公式从候选码字索引号集合中选出码字索引号集合M：

按照如下公式从满足门限的码字索引号集合及候选用户集合中选出最佳用户n^*和对应的最佳码字索引号m^*：

其中，Δ₂为设定的已调度用户的信干噪比门限，P_n,m表示在候选码字索引号 m对应的码字时候选用户n的参考信号接收功率。

方法3中按照如下公式从候选码字索引号集合中选出最佳码字索引号m^*：

按照如下公式在候选用户集合中选出最佳用户n^*：

方法4中按照如下公式从候选码字索引号集合和候选用户集合中选出最佳用户n^*和对应的最佳码字索引号m^*：

采用上面任一种方法调度后更新相应的集合，进行下一个用户和模拟波束的选择，直至完成所有用户的调度。

作为优选，所述步骤(1)中各用户将大于反馈阈值门限的参考信号接收功率的相关信息反馈给基站，若基站未收到来自用户对某个码字的反馈则将相应的参考信号接收功率记为0。

作为优选，用户反馈给基站的信息包括参考信号接收功率和该参考信号接收功率所对应的码字索引号。

有益效果：本发明提出的数模混合通信中的联合模拟波束及用户调度方法，在模拟波束训练阶段，将各用户对每个码字进行模拟波束训练的参考信号接收功率反馈给基站形成表格。在模拟波束及用户调度阶段，基站根据用户反馈的参考信号接收功率信息进行联合模拟波束及用户调度。本发明所提出的用户调度方法可以有效减小调度复杂度，实现多个用户同时通信。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图。

图2为本发明实施例中仿真对比实验流程图。

图3为本发明实施例的方法和穷举法的系统容量随信噪比变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

对于MU-MIMO无线通信系统，基站配置L个发射子阵列，待服务用户数为K(K≥L)，码本中的码字个数为N。本发明实施例提供的一种数模混合通信中的联合模拟波束及用户调度方法，基于码书完成MU-MIMO无线通信系统联合模拟波束及用户调度。如图1所示，本发明方法主要包括模拟波束训练阶段和联合模拟波束及用户调度阶段。在模拟波束训练阶段，基站依次使用码本中的码字对各用户进行模拟波束训练，各用户观测并记录每个码字所对应的参考信号接收功率并反馈给基站。在联合模拟波束及用户调度阶段，首先根据参考信号接收功率最大准则调度第一个用户，然后以待调度用户的加入对已调度用户干扰满足所定义的性能准则为原则对其余用户进行联合模拟波束及用户调度。

本具体实施例中：基站配备4个发射子阵列，每个子阵列的天线数为8，待服务单天线用户数为10，基站同时调度4个用户进行通信。模拟波束训练时使用DFT类型的码本，码本中的码字数为16，即L＝4，K＝10，N＝16。下文结合该具体系统模型详细阐述本发明公开的数模混合通信中的联合模拟波束及用户调度方法。

模拟波束训练阶段：基站依次使用码本中的码字w_c进行模拟波束训练，其中c＝1,…,16表示码字索引号。所有用户同时观测并记录每个码字所对应的参考信号接收功率，记为P_k,c，其中k表示第k个用户，k＝1,…,10。用户依据一定的反馈准则向基站反馈所测量的参考信号接收功率，反馈准则定义为用户将大于反馈阈值门限Δ₁(可设为0或较小的值)的参考信号接收功率的相关信息反馈给基站，如反馈该参考信号接收功率P_k,c及其所对应的码字索引号c。

模拟波束及用户调度阶段：基站根据所有用户反馈的参考信号接收功率，形成相应的参考信号接收功率表格，如表1所示。该表记录各个用户采用不同码字进行模拟波束训练时的参考信号接收功率。若表中的P_k,c未得到反馈，则将第k个用户对应码字索引号c的参考信号接收功率记为0。

表 1各用户反馈的模拟波束训练信息

	码字1	码字2	…	码字16
					UE1	P<sub>1,1</sub>	P<sub>1,2</sub>	…	P<sub>1,16</sub>
UE 2	P<sub>2,1</sub>	P<sub>2,2</sub>	…	P<sub>2,16</sub>
					…	…	…	…	…
UE 10	P<sub>10,1</sub>	P<sub>10,2</sub>	…	P<sub>10,16</sub>

模拟波束及用户调度的具体步骤为：

步骤1：设置初始候选用户集合为U_A＝{1,2,…,10}，候选码字索引号集合为 B_A＝{1,2,…,16}，已调度用户集合为U_s＝Φ，已调度用户的码字索引号集合为 B_s＝Φ，其中Φ表示空集。

步骤2：选择第1个用户和模拟波束

基站按照公式(1)从表1中选出最大参考信号接收功率所对应的最佳调度用户i^*和相应的最佳码字索引号j^*：

更新集合U_s＝U_s∪{i^*}，B_s＝B_s∪{j^*}，U_A＝U_A-{i^*}，B_A＝B_A-{j^*}，其中U_s∪{i^*}表示将调度用户i^*加入集合U_s，B_s∪{j^*}表示将调度用户i^*对应的码字索引号j^*加入集合B_s，U_A-{i^*}表示从集合U_A中移去调度用户i^*， B_A-{j^*}表示从集合B_A中移去码字索引号j^*。

步骤3：选择第l(2≤l≤4)个用户和模拟波束

第l个用户通信时可能会对U_s集合中的用户造成干扰，为了降低干扰，采用以下四种方法之一进行联合模拟波束和用户调度。

方法1：

1)按照公式(2)从集合B_A中选出使已调度用户的速率和最大的码字索引号作为最佳码字索引号m^*：

其中，i为已调度用户，m为候选码字索引号；分母上的1表示归一化噪声功率，i_c表示调度用户i使用的码字索引号，b_c表示调度用户b使用的码字索引号，

和P_i,m表示在不同码字索引号对应的码字时调度用户i的参考信号接收功率；U_s-{i}表示从集合U_s中移去已调度用户i。按公式(2)得到的最佳码字索引号m^*即作为第l个用户使用的码字索引号。如果公式(2)有多个解，则从中随机选择一个作为第l个用户使用的码字索引号。

2)按照公式(3)从集合U_A中选出信干噪比最大的用户作为最佳用户n^*：

其中，n为候选用户，m^*为最佳码字索引号；1表示归一化噪声功率,

和

表示在不同码字索引号对应的码字时候选用户n的参考信号接收功率。根据公式(3)得到的最佳用户n^*即作为调度的第l个用户。

方法2：

1)设定已调度用户的信干噪比门限Δ₂，按照公式(4)从集合B_A中选出使已调度用户的信干噪比大于该门限的码字索引号集合M：

其中，i为已调度用户，m为候选码字索引号；1表示归一化噪声功率，i_c表示调度用户i使用的码字索引号，b_c表示调度用户b使用的码字索引号，

和P_i,m表示在不同码字索引号对应的码字时调度用户i的参考信号接收功率； U_s-{i}表示从集合U_s中移去用户i。按照公式(4)得到的M即作为第l个用户可能使用的码字索引号集合。

2)基站从集合M和U_A中选出使所有l个用户(待调度用户和已调度用户) 的速率和最大的用户和对应的码字索引号作为最佳用户码字索引号对(m^*,n^*)：

其中，n为候选用户，m为候选码字索引号，P_n,m和

表示在不同码字索引号对应的码字时候选用户n的参考信号接收功率。按照公式(5)得到的最佳用户n^*即作为调度的第l个用户，m^*即作为第l个用户使用的码字索引号。

方法3：

1)按照公式(6)从集合B_A中选出使已调度用户的干扰功率和最小的码字索引号作为最佳码字索引号m^*：

其中，i为已调度用户，m为候选码字索引号，P_i,m为在候选码字索引号m对应的码字时已调度用户i的参考信号接收功率。按照公式(6)得到的最佳码字索引号m^*即作为第l个用户使用的码字索引号。

2)按照公式(7)从集合U_A中选出信干噪比最大的用户作为最佳用户n^*：

其中，n为候选用户，m^*为最佳码字索引号；1表示归一化噪声功率，b_c表示调度用户b的码字索引号，

和

表示在不同码字索引号对应码字时候选用户n的参考信号接收功率。根据公式(7)得到的最佳用户n^*即作为调度的第l 个用户。

方法4：

按照公式(8)从集合U_A和B_A中选出具有最大参考信号接收功率的用户和对应的码字索引号作为最佳用户码字索引号对(m^*,n^*)：

其中，n为候选用户，m为候选码字索引号，P_n,m为在候选码字索引号m对应的码字时候选用户i的参考信号接收功率。按照公式(8)得到的最佳用户n^*即作为调度的第l个用户，m^*即作为第l个用户使用的码字索引号。

步骤4：更新集合U_s＝U_s∪{n^*}，B_s＝B_s∪{m^*}，U_A＝U_A-{n^*}， B_A＝B_A-{m^*}。判断调度的用户数是否达到4，如果未达到，则跳转至步骤3 开始调度其他用户；否则，完成调度。

如图2所示，为验证本发明方法效果，本发明采用上述方法1至方法4的调度方法分别进行仿真实验并与穷举法进行了复杂度和性能的比较。本发明提供的数模混合通信中的联合模拟波束及用户调度方法与穷举法的复杂度比较基于两个方面：搜索次数和四则运算次数，如表2所示。

表2复杂度比较

	搜索次数	四则运算次数
			方法1	226	462
方法2	498	3974
			方法3	226	110
方法4	498	0
			穷举法	9172800	210974400

本发明提供的数模混合通信中的联合模拟波束及用户调度方法与穷举法的系统容量随发射信噪比的曲线如图3所示。从图中可以看出，相较于穷举法，方法1至方法4在大幅减小复杂度的同时，系统容量性能较好。所有方法的系统容量随着信噪比的增大呈现先逐渐上升，并趋于平稳的趋势，这是因为在高信噪比时，影响系统容量的干扰和噪声中干扰占主导地位，且干扰功率和有用功率的比值保持恒定。

Claims (3)

1.一种数模混合通信中的联合模拟波束及用户调度方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)基站依次使用码本中的码字对各用户进行模拟波束训练，各用户观测并记录每个码字所对应的参考信号接收功率并反馈给基站；

(2)基站收集到各个用户采用不同码字进行模拟波束训练时的参考信号接收功率后，首先根据参考信号接收功率最大准则调度第一个用户，然后以待调度用户的加入对已调度用户干扰满足所定义的性能准则为原则对其余用户进行联合模拟波束及用户调度；

所述步骤(2)中采用如下方法1至方法3中的任一种对其余用户进行联合模拟波束及用户调度：

方法1：首先从候选码字索引号集合中选出使已调度用户的速率和最大的码字索引号作为最佳码字索引号，然后基于最佳码字索引号在候选用户集合中选出信干噪比最大的用户作为最佳调度用户；

方法2：首先从候选码字索引号集合中选出使已调度用户的信干噪比大于设定门限的码字索引号集合，然后从满足门限的码字索引号集合及候选用户集合中选出使待调度用户和已调度用户的速率和最大的用户和对应的码字索引号作为最佳用户码字索引号对；

方法3：首先从候选码字索引号集合中选出使已调度用户的干扰功率和最小的码字索引号作为最佳码字索引号，然后基于最佳码字索引号在候选用户集合中选出信干噪比最大的用户作为最佳调度用户；

所述方法1中按照如下公式从候选码字索引号集合中选出最佳码字索引号m^*：

其中，U_s为已调度用户集合，B_A为候选码字索引号集合，i为已调度用户，m为候选码字索引号；分母上的1表示归一化噪声功率，i_c表示调度用户i使用的码字索引号，b_c表示调度用户b使用的码字索引号，

和P_i,m表示在不同码字索引号对应的码字时调度用户i的参考信号接收功率；U_s-{i}表示从集合U_s中移去已调度用户i；

所述方法1中按照如下公式在候选用户集合中选出最佳用户n^*：

其中，U_A为候选用户集合，n为候选用户，m^*为最佳码字索引号；和

表示在不同码字索引号对应码字时候选用户n的参考信号接收功率；

所述方法2中按照如下公式从候选码字索引号集合中选出码字索引号集合M：

其中，Δ₂为设定的已调度用户的信干噪比门限；

所述方法2中按照如下公式从满足门限的码字索引号集合及候选用户集合中选出最佳用户码字索引号对：

其中，M为满足门限的码字索引号集合，P_n,m和表示在不同码字索引号对应的码字时候选用户n的参考信号接收功率；

所述方法3中按照如下公式从候选码字索引号集合中选出最佳码字索引号m^*：

所述方法3中按照如下公式在候选用户集合中选出最佳用户n^*：

2.根据权利要求1所述的一种数模混合通信中的联合模拟波束及用户调度方法，其特征在于：所述步骤(1)中各用户将大于反馈阈值门限的参考信号接收功率的相关信息反馈给基站，若基站未收到来自用户对某个码字的反馈则将相应的参考信号接收功率记为0。

3.根据权利要求2所述的一种数模混合通信中的联合模拟波束及用户调度方法，其特征在于：用户反馈给基站的信息包括参考信号接收功率和该参考信号接收功率所对应的码字索引号。

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