CN107453797A

CN107453797A - 不依赖导频的多天线基站发射方法和设备

Info

Publication number: CN107453797A
Application number: CN201710712757.7A
Authority: CN
Inventors: 冯伟; 葛宁; 赵健; 张英杰
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2017-08-18
Filing date: 2017-08-18
Publication date: 2017-12-08
Anticipated expiration: 2037-08-18
Also published as: CN107453797B

Abstract

本发明提供不依赖用于解决现有技术中由于所需的导频及反馈开销由于基站天线数目的大幅增长而变得不可接受，严重抑制了信道容量的提升问题。其中不依赖导频的多天线基站发射方法，包括步骤：预先定义N个预编码向量组成的编码向量集合V＝[v₁,v₂,...v_N]，逐一向所有用户广播预编码向量集合V中的所有预编码向量；S103、根据所有用户反馈的比特{a₁₁，…a_kn，…a_KN}计算得到S个调度的用户k₁，k₂……k_s，针对调度的这S个用户，系统分别分配预编码向量v_k1，v_k2……v_ks，系统采用预编码向量v_k1，v_k2……v_ks分别同时服务这S个用户。本发明不依赖导频，可用于频分双工模式下大规模多天线系统的传输方案，显著降低了传统方案中发送端信道状态信息的估计和反馈所需要的巨大开销。

Description

不依赖导频的多天线基站发射方法和设备

技术领域

本发明涉及通信技术/计算机技术，具体涉及不依赖导频的多天线基站发射方法和设备。

背景技术

较高的频谱效率与能量效率使得大规模多天线系统在过去若干年间得到学术界与工业界的广泛关注，并且已成为第五代无线通信系统的核心候选技术之一。传统的多天线系统通过在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线获取空间复用及分集增益，能够在频谱资源与天线功率一定的情况下成倍提升系统的信道容量，同时有效抑制信道衰落，降低误码率。大规模多天线系统作为目前移动通信系统的一种过渡方案具有明显优势。该技术指基站天线数目庞大，而用户终端采用单天线接收的通信方式，因此不必大面积更新用户的终端设备，可仅通过对基站的改造提升系统性能。

在大规模多天线系统中，可通过预编码获得复用增益，但系统需要精确的发送端信道状态信息。在时分双工模式下，由于相干时间内上行信道与下行信道的信道状态信息具有互易性，基站可通过上行信道导频估计下行信道的状态信息，系统开销由用户终端天线总数决定，基站天线数不受限制，因此非常适合该系统方案；而在频分双工模式下，上行信道与下行信道不具有互易性，传统方案通过下行导频辅助信道估计并获得上行反馈从而获取发送端信道状态信息，但该方案所需的导频及反馈开销由于基站天线数目的大幅增长而变得不可接受，严重抑制了信道容量的提升。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的不依赖导频的多天线基站发射方法和设备。

为此目的，第一方面，本发明提出一种不依赖导频的多天线基站发射方法，包括步骤：

S101、预先定义N个预编码向量组成的编码向量集合V＝[v₁,v₂,...v_N]，其中编码向量集合V中的第n个预编码向量v_n是M×M矩阵W的第列，矩阵W的第a行第b列元素可表示为：

其中j为虚数单位，函数表示对实数x向下取整，基站的天线数为M，用户数为K，1≤N≤M；

S102、以预设的发射功率P，预设的噪声和预设的第k个用户的信道向量h_k，逐一向所有用户广播预编码向量集合V中的所有预编码向量；

S103、接收所有用户反馈的比特，获得{a₁₁，…a_kn，…a_KN}；根据{a₁₁，…a_kn，…a_KN}计算得到S个调度的用户k₁，k₂……k_s，针对调度的这S个用户，系统分别分配预编码向量v_k1，v_k2……v_ks，系统采用预编码向量v_k1，v_k2……v_ks分别同时服务这S个用户。

可选的，所述根据{a₁₁，…a_kn，…a_KN}计算得到S个调度的用户k₁，k₂……k_s，包括：

S111、在{a₁₁，…a_kn，…a_KN}中选取一个非零的比特a_k*n*，使得

S112、在已有用户调度的基础上调度第k^*个用户,并为之分配预编码向量v_n*；

S113、令a_k*1＝a_k*2＝…＝a_k*N＝a_1n*＝a_2n*＝…＝a_Kn*＝0；

S114、若返回S111，否则终止，得到S个调度的用户k₁，k₂……k_s。

第二方面，本发明提供一种向用户广播的方法，包括步骤：根据预先定义N个预编码向量组成的编码向量集合V＝[v₁,v₂,...v_N]，计算获得S个调度的用户k₁，k₂……k_s分别对应的预编码向量用户k_s收到的传输信号为

其中p_s为基站为用户k_s分配的发射功率，为用户k_s的信道向量，d_s为基站发送给用户k_s的数据，n_s为传输中的噪声。

第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上所述一种不依赖导频的多天线基站发射方法的步骤。

第四方面，本发明一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上执行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如上所述一种不依赖导频的多天线基站发射方法的步骤。

第五方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上所述一种向用户广播的方法的步骤。

第六方面，本发明一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上执行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如上所述一种向用户广播的方法的步骤。

由上述技术方案可知，本发明不依赖导频，可用于频分双工模式下大规模多天线系统的传输方案，显著降低了传统方案中发送端信道状态信息的估计和反馈所需要的巨大开销。本发明较传统方案显著降低了下行导频辅助信道估计与上行反馈的资源消耗，从而使系统的可达速率得到提升。同时采用的方案复杂度较低，可在不需要信道先验信息的条件下实现较大的系统增益。

前面是提供对本发明一些方面的理解的简要发明内容。这个部分既不是本发明及其各种实施例的详尽表述也不是穷举的表述。它既不用于识别本发明的重要或关键特征也不限定本发明的范围，而是以一种简化形式给出本发明的所选原理，作为对下面给出的更具体的描述的简介。应当理解，单独地或者组合地利用上面阐述或下面具体描述的一个或多个特征，本发明的其它实施例也是可能的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图是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的附图。

图1为本发明和现有技术方案性能比较(系统和速率-基站天线数量)示意图。

图2为本发明和现有技术方案性能比较方案性能比较(系统和速率-用户数量)的示意图。

具体实施方式

下面将结合示例性的实施例描述本发明。

S101、预先定义N个预编码向量组成的编码向量集合V＝[v₁,v₂,...v_N]，其中编码向量集合V中的第n个预编码向量v_n是M×M矩阵W的第列，矩阵W的第a行第b列元素w_ab可表示为：

S113、令a_k*1＝a_k*2＝…＝a_k*N＝a_1n*＝a_2n*＝…＝a_Kn*＝0；

本发明不依赖导频，可用于频分双工模式下大规模多天线系统的传输方案，显著降低了传统方案中发送端信道状态信息的估计和反馈所需要的巨大开销。本发明较传统方案显著降低了下行导频辅助信道估计与上行反馈的资源消耗，从而使系统的可达速率得到提升。同时采用的方案复杂度较低，可在不需要信道先验信息的条件下实现较大的系统增益。

本发明提供一种向用户广播的方法，包括步骤：根据预先定义N个预编码向量组成的编码向量集合V＝[v₁,v₂,...v_N]，计算获得S个调度的用户k₁，k₂……k_s分别对应的预编码向量用户k_s收到的传输信号为

本发明的一个实施例中应用于频分双工模式下的大规模多天线系统，系统的上行信噪比为10dB，下行信噪比为15dB。对于第k个用户，其信道向量由下式给出：

其中v_k表示信道的随机小时度衰落，服从CN(0,I_M)的复高斯分布；R_k为信道的相关矩阵，其第a行第b列元素为

其中θ_k为第k个用户信道角度域的中心到达角，服从在[0,π]上的均匀分布；Δ_k为第k个用户信道角度域的角度扩展，取值

首先，在用户数为20的条件下，本实例对基站装备天线数量为20到80之间，以10为间隔逐点进行仿真，得到每个基站天线数量下的系统平均和速率，并将本方案性能与传统的方案进行比较(传统方案使用信道向量估计与随机向量量化反馈)。比较结果如图1所示，实线所标示的曲线为本方案的仿真结果，可以看出该方案在大规模多天线系统中可以有效提高系统的可达和速率。基站的天线数量越大，性能提升越明显。

接下来，在基站天线数量为80的条件下，本实例对用户数为5到40之间，以5为间隔逐点进行仿真，得到每个用户数量下的系统平均和速率，并将本方案性能与传统的方案进行比较，比较结果如图2所示，实线所标示的曲线为本方案的仿真结果，可以看出该方案在大规模多天线系统中可以有效提高系统的可达和速率。

本文中使用的“监视”包括与用仪器来观察、记录或检测有关的任何类型的功能，这些仪器对被监视的元件或元件组的操作或状态没有任何影响。

本文中使用的“至少一个”、“一个或多个”以及“和/或”是开放式的表述，在使用时可以是联合的和分离的。例如，“A、B和C中的至少一个”，“A、B或C中的至少一个”，“A、B和C中的一个或多个”以及“A、B或C中的一个或多个”指仅有A、仅有B、仅有C、A和B一起、A和C一起、B和C一起或A、B和C一起。

术语“一个”实体是指一个或多个所述实体。由此术语“一个”、“一个或多个”和“至少一个”在本文中是可以互换使用的。还应注意到术语“包括”、“包含”和“具有”也是可以互换使用的。

本文中使用的术语“自动的”及其变型是指在执行处理或操作时没有实质的人为输入的情况下完成的任何处理或操作。然而，即使在执行处理或操作时使用了执行所述处理或操作前接收到的实质的或非实质的人为输入，所述处理或操作也可以是自动的。如果输入影响所述处理或操作将怎样进行，则视该人为输入是实质的。不影响所述处理或操作进行的人为输入不视为是实质的。

本文中使用的术语“计算机可读介质”是指参与将指令提供给处理器执行的任何有形存储设备和/或传输介质。计算机可读介质可以是在IP网络上的网络传输(如SOAP)中编码的串行指令集。这样的介质可以采取很多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如NVRAM或者磁或光盘。易失性介质包括诸如主存储器的动态存储器(如RAM)。计算机可读介质的常见形式包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带或任何其它磁介质、磁光介质、CD-ROM、任何其它光介质、穿孔卡、纸带、任何其它具有孔形图案的物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、诸如存储卡的固态介质、任何其它存储芯片或磁带盒、后面描述的载波、或计算机可以读取的任何其它介质。电子邮件的数字文件附件或其它自含信息档案或档案集被认为是相当于有形存储介质的分发介质。当计算机可读介质被配置为数据库时，应该理解该数据库可以是任何类型的数据库，例如关系数据库、层级数据库、面向对象的数据库等等。相应地，认为本发明包括有形存储介质或分发介质和现有技术公知的等同物以及未来开发的介质，在这些介质中存储本发明的软件实施。

本文中使用的术语“确定”、“运算”和“计算”及其变型可以互换使用，并且包括任何类型的方法、处理、数学运算或技术。更具体地，这样的术语可以包括诸如BPEL的解释规则或规则语言，其中逻辑不是硬编码的而是在可以被读、解释、编译和执行的规则文件中表示。

本文中使用的术语“模块”或“工具”是指任何已知的或以后发展的硬件、软件、固件、人工智能、模糊逻辑或能够执行与该元件相关的功能的硬件和软件的组合。另外，虽然用示例性实施方式来描述本发明，但应当理解本发明的各方面可以单独要求保护。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims

1.不依赖导频的多天线基站发射方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据{a₁₁，…a_kn，…a_KN}计算得到S个调度的用户k₁，k₂……k_s，包括：

S111、在{a₁₁，…a_kn，…a_KN}中选取一个非零的比特使得

<mrow> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>*</mo> <mi>n</mi> <mo>*</mo> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>arg</mi> <munder> <mi>min</mi> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>></mo> <mn>0</mn> </mrow> </munder> <mrow> <mo>(</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>K</mi> </munderover> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

S112、在已有用户调度的基础上调度第k^*个用户,并为之分配预编码向量

S113、令

3.一种向用户广播的方法，其特征在于，包括步骤：根据预先定义N个预编码向量组成的编码向量集合V＝[v₁,v₂,...v_N]，计算获得S个调度的用户k₁，k₂……k_s分别对应的预编码向量用户k_s收到的传输信号为

<mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <msub> <mi>p</mi> <mi>s</mi> </msub> </msqrt> <msubsup> <mi>h</mi> <msub> <mi>k</mi> <mi>s</mi> </msub> <mi>H</mi> </msubsup> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>k</mi> <mi>s</mi> </msub> </msub> <msub> <mi>d</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mn>1</mn> <mo>&le;</mo> <mi>j</mi> <mo>&le;</mo> <mi>S</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>&NotEqual;</mo> <mi>s</mi> </mrow> </munder> <msqrt> <msub> <mi>p</mi> <mi>j</mi> </msub> </msqrt> <msubsup> <mi>h</mi> <msub> <mi>k</mi> <mi>s</mi> </msub> <mi>H</mi> </msubsup> <msub> <mi>v</mi> <msub> <mi>k</mi> <mi>j</mi> </msub> </msub> <msub> <mi>d</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow>

4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至2任一所述方法的步骤。

5.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上执行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至2任一所述方法的步骤。

6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求3所述方法的步骤。

7.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上执行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求3所述方法的步骤。