CN107172625B - 基于分组的毫米波通信多波束调度方法 - Google Patents

基于分组的毫米波通信多波束调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于分组的毫米波通信多波束调度方法，用于解决现有技术存在的系统频谱效率较低和硬件资源利用不充分的技术问题。其实现步骤为：发送端生成波束，得到波束集合；发送端对波束集合进行分组，得到波束组集合；发送端利用波束集合中的各波束将训练信号发送至用户；用户利用接收到的训练信号，计算波束集合中的每个波束的信干噪比，并将最大的信干噪比和最大的信干噪比对应的最优波束序号反馈至发送端；发送端对波束组集合中的各波束进行波束调度。本发明可以有效地提升系统频谱效率，充分地利用了系统硬件资源，可用于多用户数据传输。

Description

基于分组的毫米波通信多波束调度方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种毫米波通信多波束调度方法，具体涉及一种基于分组的毫米波通信多波束调度方法，可用于多用户数据传输。
背景技术
毫米波(Millimeter Wave)是指频段在30GHz到300GHz范围之间的电磁波，具有波长短、频带宽和方向性好等优势，毫米波通信是指一种利用毫米波频段进行数据传输的无线通信方式。毫米波通信可以和大规模多输入多输出技术相结合以实现波束成形，利用阵列天线在不同的空间位置产生高增益的多个波束，毫米波通信波束间低干扰特性意味着网络具有很大的空间复用潜力，能够有效提升系统频谱效率。
在用户数及波束个数通常大于射频链路个数的毫米波通信系统中，发送端需要高效的波束调度策略来进行数据传输，即在生成的波束中选择可以实现最优系统频谱效率性能的波束，并将其分配给对应的用户。目前，毫米波通信系统在进行多波束调度过程中，主要是利用每个用户反馈的最优波束的信干噪比及其对应的波束序号进行波束和用户的选择，以降低用户反馈开销。例如，2016年5月作者Girim Kwon和Hyuncheol Park在IEEEInternational Conference on Communications上发表的论文“A Joint Scheduling andMillimeter Wave Hybrid Beamforming System with Partial Side Information”中，公开了一种毫米波通信中的联合多波束调度方法。通过将空间上相距等间隔的波束划分为一个子集的方式，保证了波束之间被调度的公平性，发送端依据每个用户反馈的最优波束的信干噪比及其对应的波束子集序号和波束序号，选择使频谱效率最优的波束子集中波束及其对应的用户。该方法虽然可以降低波束间干扰，在用户总数很大的时候，调度的波束个数及用户个数会趋近于射频链路个数，实现了多用户分集增益，但仍存在以下不足：(1)在固定的波束子集之间进行选择，限制了波束组合的多样性，降低了系统频谱效率；(2)用户总数较少时，调度的波束个数会明显小于射频链路个数，造成系统硬件资源利用不充分。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于分组的毫米波通信多波束调度方法，以提高毫米波通信系统频谱效率，充分利用系统硬件资源。
实现本发明的技术思路是：发送端生成波束，得到波束集合，对波束集合中每个波束进行分组，然后将训练信号发送至用户，根据所有用户反馈的最大的信干噪比和最大的信干噪比对应的波束序号进行波束调度和用户选择。调度过程中依据一个波束只支持一个用户和一个用户只能选择一个波束的原则，当已选择的波束个数小于射频链路个数的时候，允许调度相同波束组中的波束；当调度的波束个数等于射频链路个数的时候，避免调度相同波束组中信干噪比低的波束，以降低波束之间的干扰，提高系统频谱效率。
根据上述技术思路，实现本发明采取的技术方案包括如下步骤：
(1)发送端生成N个波束，得到波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}，其中，f(N)表示第N个波束，N为波束总数；
(2)发送端对波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}进行分组：发送端按照相邻的个波束分为一组的方法，依次对波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}中的每个波束进行分组，得到波束组集合其中，表示对式N/NRF的结果向下取整，NRF为射频链路个数，RF代表射频，表示第NRF个波束组；
(3)假设毫米波通信系统的用户总数为U，发送端利用波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}中的各波束，将训练信号发送至U个用户；
(4)U个用户中的每个用户利用接收到的训练信号，计算波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}中每个波束的信干噪比，并将最大的信干噪比和最大的信干噪比对应的最优波束序号反馈至发送端；
(5)发送端依据U个用户反馈的最大的信干噪比和最优波束序号，对波束组集合中的各波束进行调度：
(5a)发送端设置用户序号k、已选用户集合和已选波束集合并对其进行初始化，令k＝1，其中，表示空集；
(5b)发送端判断已选波束集合中的波束个数是否小于发送端射频链路个数NRF，若是，执行步骤(5c)；否则，执行步骤(5f)；
(5c)发送端判断已选波束集合中是否存在第k个用户的最优波束序号nk对应的波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}中的波束f(nk)，若是，执行步骤(5d)；否则，执行步骤(5e)，其中，1≤nk≤N；
(5d)发送端在已选用户集合中找出用户的最优波束序号与nk相等的第k′个用户，并判断第k个用户的信干噪比是否大于第k′个用户的信干噪比，若是，在已选用户集合中，加入第k个用户，同时删除第k′个用户，并执行步骤(5j)；否则，执行步骤(5j)；
(5e)发送端将第k个用户加入到已选用户集合中，同时将波束f(nk)加入到已选波束集合中，并执行步骤(5j)；
(5f)发送端判断已选波束集合中是否存在波束f(nk)，若是，执行步骤(5d)，否则，执行步骤(5g)；
(5g)发送端判断波束f(nk)是否与已选波束集合中的任意一个波束在相同波束组中，若是，执行步骤(5h)；否则，执行步骤(5i)；
(5h)发送端在已选用户集合中找出用户的最优波束序号对应的波束与波束f(nk)在相同波束组中的第个用户，并判断第k个用户的信干噪比是否大于第个用户的信干噪比，若是，在已选用户集合中，加入第k个用户，删除第个用户，同时在已选波束集合中，加入波束f(nk)，删除第个用户的最优波束序号对应的波束，并执行步骤(5j)；否则，执行步骤(5j)；
(5i)发送端比较已选用户集合中各用户的信干噪比，找出信干噪比最小的第个用户，并判断第k个用户的信干噪比是否大于第个用户的信干噪比，若是，在已选用户集合中，加入第k个用户，删除第个用户，同时在已选波束集合中，加入波束f(nk)，删除第个用户的最优波束序号对应的波束；否则，执行步骤(5j)；
(5j)发送端判断用户序号k是否小于用户总数U，若是，令k＝k+1，并执行步骤(5b)；否则，将已选用户集中的用户作为服务用户，并将已选波束集中的波束作为服务波束。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明由于在实现对波束组集合中的各波束进行调度的时候，首先对波束集合中每个波束进行分组，得到波束组集合，避免调度相同波束组中信干噪比较低的波束，从而使得最终选择的波束在空间位置上存在较大间隔，进一步降低了波束间干扰，与现有技术相比，在保证多波束调度方法执行效率的同时，有效地提高了系统频谱效率。
2.本发明由于在已选波束集合中的波束个数小于射频链路个数的时候，允许调度相同波束组中的波束，放宽了选择波束和用户的限定条件，与现有技术相比，充分利用了系统硬件资源。
附图说明
图1为本发明的实现流程图；
图2为本发明与现有技术的系统频谱效率性能对比图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明，应当理解，本发明的实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
参照图1，基于分组的毫米波通信多波束调度方法，包括如下步骤：
步骤1，发送端生成N个波束，得到波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}，其中，f(N)表示第N个波束，N为波束总数；
发送端生成N个波束的生成方式为：发送端构造DFT矩阵 其第p行第q列上的元素值为f(p,q)，并令获得N个波束，其中，j表示(-1)1/2，q＝1,…,N，p＝1,…,M，M代表发送端总的天线数，表示DFT矩阵的第N列；
步骤2，发送端对波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}进行分组：发送端按照相邻的个波束分为一组的方法，依次对波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}中的每个波束进行分组，得到波束组集合其中，表示对式N/NRF的结果向下取整，NRF为射频链路个数，RF代表射频，表示第NRF个波束组；
步骤3，假设毫米波通信系统中的用户总数为U，发送端利用波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}中的各波束，将训练信号发送至U个用户；
步骤4，U个用户中的每个用户利用接收到的训练信号，计算波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}中每个波束的信干噪比，并将最大的信干噪比和最大的信干噪比对应的最优波束序号反馈至发送端；
每个波束的信干噪比、最大的信干噪比和最大的信干噪比对应的最优波束序号的计算公式分别为：
其中，SINRn表示第n个波束的信干噪比，Psignal(n)表示第n个波束的信号功率，signal表示信号，Pnoise(n)表示第n个波束的噪声功率，noise表示噪声，Pinterference(n)表示第n个波束的干扰功率，interference表示干扰，n∈{1,2,…,N}，γ表示最大的信干噪比，η表示最大的信干噪比对应的最优波束序号，max表示取最大值，argmax表示取最大值对应的自变量；
步骤5，发送端依据U个用户反馈的最大的信干噪比和最优波束序号，对波束组集合中的各波束进行调度：
步骤5a，发送端设置用户序号k、已选用户集合和已选波束集合并对其进行初始化，令k＝1，其中，表示空集；
步骤5b，发送端判断已选波束集合中的波束个数是否小于发送端射频链路个数NRF，若是，执行步骤5c；否则，执行步骤5f；
步骤5c，发送端判断已选波束集合中是否存在第k个用户的最优波束序号nk对应的波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}中的波束f(nk)，波束f(nk)所在的波束组的序号为若是，执行步骤5d；否则，执行步骤5e，其中，1≤nk≤N，表示对式nk/NRF的结果向上取整；
步骤5d，发送端在已选用户集合中找出用户的最优波束序号与nk相等的第k′个用户，第k′个用户为之前加入到已选用户集合中的用户，并判断第k个用户的信干噪比是否大于第k′个用户的信干噪比，若是，在已选用户集合中，加入第k个用户，同时删除第k′个用户，并执行步骤5j；否则，执行步骤5j；
步骤5e，发送端将第k个用户加入到已选用户集合中，同时将波束f(nk)加入到已选波束集合中，并执行步骤5j；
步骤5f，发送端判断已选波束集合中是否存在波束f(nk)，若是，执行步骤5d，否则，执行步骤5g；
步骤5g，发送端判断波束f(nk)是否与已选波束集合中的任意一个波束在相同波束组中，若是，执行步骤5h；否则，执行步骤5i；
步骤5h，发送端在已选用户集合中找出用户的最优波束序号对应的波束与波束f(nk)在相同波束组中的第个用户，第个用户为之前加入到已选用户集合中的用户，并判断第k个用户的信干噪比是否大于第个用户的信干噪比，若是，在已选用户集合中，加入第k个用户，删除第个用户，同时在已选波束集合中，加入波束f(nk)，删除第个用户的最优波束序号对应的波束，并执行步骤5j；否则，执行步骤5j；
步骤5i，发送端比较已选用户集合中各用户的信干噪比，找出信干噪比最小的第个用户，第个用户为之前加入到已选用户集合中的用户，并判断第k个用户的信干噪比是否大于第个用户的信干噪比，若是，在已选用户集合中，加入第k个用户，删除第个用户，同时在已选波束集合中，加入波束f(nk)，删除第个用户的最优波束序号对应的波束；否则，执行步骤5j；
步骤5j，发送端判断用户序号k是否小于用户总数U，若是，令k＝k+1，执行步骤5b；否则，将已选用户集中的用户作为服务用户，并将已选波束集中的波束作为服务波束。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。
1.仿真条件和内容：
本发明仿真实验是在Intel(R)Core(TM)i3-3110M CPU@2.40GHz，32位Windows7系统下，Matlab R2014a运行平台上完成的；仿真中发送端采用ULA天线阵列，天线数为64，波束总数为64，射频链路个数为16，用户的天线数均为1，系统信噪比为5dB，毫米波信道模型采用广泛应用的Saleh Valenzuela信道模型，多径个数为3；对本发明和联合多波束调度方法的系统频谱效率性能进行了仿真，其结果如图2所示。
2.仿真结果分析：
参照图2，是本发明与联合多波束调度方法的系统频谱效率性能对比图，横坐标是用户数，纵坐标是频谱效率，单位是bps/Hz。从图中我们可以看出，用户数从10增长到150的时候，本发明的系统频谱效率从22bps/Hz增长到50bps/Hz，联合多波束调度方法的系统频谱效率从15bps/Hz增长到40bps/Hz，在不同用户数的情况下，本发明方法性均明显优于联合多波束调度方法。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，做出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于分组的毫米波通信多波束调度方法，包括如下步骤：
(1)发送端构造DFT矩阵 其第p行第q列上的元素值为f(p,q)，并令得到由N个波束组成的波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}，其中，j表示(-1)1/2，q＝1,…,N，p＝1,…,M，M代表发送端总的天线数，表示DFT矩阵的第N列；
(2)发送端对波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}进行分组：发送端按照相邻的个波束分为一组的方法，依次对波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}中的每个波束进行分组，得到波束组集合其中，表示对式N/NRF的结果向下取整，NRF为射频链路个数，RF代表射频，表示第NRF个波束组；
(3)假设毫米波通信系统的用户总数为U，发送端利用波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}中的各波束，将训练信号发送至U个用户；
(4)U个用户中的每个用户利用接收到的训练信号，计算波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}中每个波束的信干噪比，并将最大的信干噪比和最大的信干噪比对应的最优波束序号反馈至发送端；
(5)发送端依据U个用户反馈的最大的信干噪比和最优波束序号，对波束组集合中的各波束进行调度：
(5a)发送端设置用户序号k、已选用户集合和已选波束集合并对其进行初始化，令k＝1，其中，表示空集；
(5b)发送端判断已选波束集合中的波束个数是否小于发送端射频链路个数NRF，若是，执行步骤(5c)；否则，执行步骤(5f)；
(5c)发送端判断已选波束集合中是否存在第k个用户的最优波束序号nk对应的波束集合{f(1),f(2),…,f(N)}中的波束f(nk)，若是，执行步骤(5d)；否则，执行步骤(5e)，其中，1≤nk≤N；
(5d)发送端在已选用户集合中找出用户的最优波束序号与nk相等的第k′个用户，并判断第k个用户的信干噪比是否大于第k′个用户的信干噪比，若是，在已选用户集合中，加入第k个用户，同时删除第k′个用户，并执行步骤(5j)；否则，执行步骤(5j)；
(5e)发送端将第k个用户加入到已选用户集合中，同时将波束f(nk)加入到已选波束集合中，并执行步骤(5j)；
(5f)发送端判断已选波束集合中是否存在波束f(nk)，若是，执行步骤(5d)，否则，执行步骤(5g)；
(5g)发送端判断波束f(nk)是否与已选波束集合中的任意一个波束在相同波束组中，若是，执行步骤(5h)；否则，执行步骤(5i)；
(5h)发送端在已选用户集合中找出用户的最优波束序号对应的波束与波束f(nk)在相同波束组中的第个用户，并判断第k个用户的信干噪比是否大于第个用户的信干噪比，若是，在已选用户集合中，加入第k个用户，删除第个用户，同时在已选波束集合中，加入波束f(nk)，删除第个用户的最优波束序号对应的波束，并执行步骤(5j)；否则，执行步骤(5j)；
(5i)发送端比较已选用户集合中各用户的信干噪比，找出信干噪比最小的第个用户，并判断第k个用户的信干噪比是否大于第个用户的信干噪比，若是，在已选用户集合中，加入第k个用户，删除第个用户，同时在已选波束集合中，加入波束f(nk)，删除第个用户的最优波束序号对应的波束；否则，执行步骤(5j)；
(5j)发送端判断用户序号k是否小于用户总数U，若是，令k＝k+1，并执行步骤(5b)；否则，将已选用户集中的用户作为服务用户，并将已选波束集中的波束作为服务波束。
2.根据权利要求1所述的基于分组的毫米波通信多波束调度方法，其特征在于，步骤(4)中所述的每个波束的信干噪比、最大的信干噪比和最大的信干噪比对应的最优波束序号，其计算公式分别为：
其中，SINRn表示第n个波束的信干噪比，Psignal(n)表示第n个波束的信号功率，signal表示信号，Pnoise(n)表示第n个波束的噪声功率，noise表示噪声，Pinterference(n)表示第n个波束的干扰功率，interference表示干扰，n∈{1,2,…,N}，γ表示最大的信干噪比，η表示最大的信干噪比对应的最优波束序号，max表示取最大值，argmax表示取最大值对应的自变量。
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Beam allocation and performance evaluation in switched-beam based massive MIMO systems;Junyuan Wang 等;《2015 IEEE International Conference on Communications(ICC)》;20150612;全文 *

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