CN107743043A - 多用户毫米波系统中基于带外空间信息的用户分组方法 - Google Patents

多用户毫米波系统中基于带外空间信息的用户分组方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及多用户毫米波系统中基于带外空间信息的用户分组方法。为解决多用户毫米波系统中多用户波束选择过程能量和时间消耗大，以及初始波束搜索阶段接受信噪比过低的问题，提出了基于带外空间信息的用户分组方法。通过分组策略充分利用带外空间信息，在基站端压缩搜索范围，进行更加精准的初始范围内进行波束搜索。在用户端，使用非本组搜索子帧保持静默的策略，减少接受波束搜索次数，节省用户能耗。同样得益于分组策略，用户端在反馈过程中，只需反馈本组对应的搜索子帧内的波束匹配信息，去除传统搜索方法中需要反馈更多冗余信息的弊端，减小反馈开销，提升系统效率。

Description

多用户毫米波系统中基于带外空间信息的用户分组方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及毫米波通信(Millimeter-Wave(mmWave)Communication)，波束选择技术，以及多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术，具体的说是涉及多用户毫米波系统中基于带外空间信息的用户分组方法。
背景技术
随着无线通信的发展，毫米波(Millimeter wave(mmWave))被认为是下一代无线通信技术的核心技术候选之一，它可以极大的拓宽可用频谱资源，然而，与传统微波频率相比，使用毫米波频带的关键挑战是其严重的信号传播损耗。为了补偿这样的损失，可以采用大型天线阵列来实现高功率增益。幸运的是，由于毫米波信号的波长较小，这些阵列可以被封装在发射机和接收机的小区域。对于这种毫米波系统，信道状态信息(CSI)对于有效的通信和预编码器设计是至关重要的。然而，使用大的天线阵列导致大的多输入多输出(MIMO)信道矩阵。由于要估计信道参数的数量庞大，这使得毫米波系统的信道估计非常具有挑战性。此外，由于高频，从每个天线获得数字样本的方法通常是不可行的。为了解决这个高频采样问题，已经提出了模拟波束成形技术，模拟波束成形的主要思想是通过模拟移相器网络来控制由每个天线发射或接收的信号的相位。
使用模拟波束成形技术，最直接的信道估计方法是在所有可能的角度方向上详尽搜索。具体来说，考虑具有N个发射天线和N个接收天线的系统。如果目标是在发射机和接收机两端实现π/N的最小角度分辨率，则基于搜索的穷举信道估计将需要在发射机处的一组N个发射波束成形向量，以便跨越所有可能的波束方向，并且在接收机处同样具有N个接收波束成形向量。通过搜索所有可能的组合，可以形成N×N矩阵,其中项表示N个发送和N个接收波束之间的信道增益。该矩阵通常称为虚拟信道矩阵。尽管对于毫米波MIMO信道矩阵预期的输入量很大，但是近来的测量已经表明，毫米波信道在角域中表现出稀疏的传播特性。也就是说，在毫米波通道中只有几个主要的传播路径。这种稀疏性可以在虚拟信道矩阵中看到，因为只有有限数量的发射和接收方向对具有非零增益。因此，毫米波信道估计的关键目标是识别这些路径，使得收发器可以沿着这些路径对准发送和接收波束。
目前已经提出一些基于压缩感知的信道估计算法，利用毫米波系统中通道稀疏度。这些方法中的一些基本思想是通过创建初始波束图案来搜索每个测量中的多个发射/接收方向，其角度范围比穷举搜索所使用的更广泛。其中提出了类似的自适应波束成形算法和多级码本。通过利用子阵列和去激活(关闭)天线处理技术，可以通过单个射频(RF)链实现这种分层码本。通过最初使用更宽的波束图案，多级方法能够减少信道估计所需的测量次数。但是，这引入了方向性增益的损失，导致接收机处的较低的信噪比(SNR)和更高的估计误差概率。在这个意义上，毫米波信道估计的估计时间和精度之间存在挑战性的权衡问题。
多级码本方法的开始利用类似“二分法”的搜索算法进行估计稀疏毫米波信道。在算法的每个阶段，估计的出发角(AOD)和到达角(AOA)范围将被分为多个子范围，该方法需要与每个估计路径的成比例的估计时间。尽管与穷举搜索方法相比，具有显着的改进，但是这样的信道估计算法仍然可能不足以跟踪快速信道变化，特别是对于具有快速变化的参数的毫米波移动信道。此外，在高SNR时，可能不需要执行这么多的测量，这将导致不必要的时间延迟。而在初始搜索阶段又存在接受信噪比很低，影响信号估计的问题。
发明内容
本发明的目的，为解决多用户毫米波系统中多用户波束选择过程能量和时间消耗大，以及初始波束搜索阶段接受信噪比过低的问题，提出了基于带外空间信息的用户分组方法。
本发明的技术方案如下：
为了便于区分，以下方案中对微波系统的参数使用下划线跟毫米波系统参数进行区分，在后边的叙述中也将沿用此方法。
多用户毫米波系统中基于带外空间信息的用户分组方法，该方法采用微波系统的空间信息来辅助毫米波链接的建立，其特征在于，包括以下步骤：
S1、上行信道信息获得：通过现在成熟的信道估计方法，比如基于导频训练的LS估计算法，在基站端获得所有用户的微波系统的上行信道矩阵
其中，h i表示第i个微波信道,i＝1,…,K,维度为N BS×1，N BS为基站数量；H表示微波信道矩阵,维度为N BS×K。
S2、空间信息转化：根据该信道矩阵计算出带外空间信息矩阵,其计算公式如下
其中，h SI表示第i个微波带外空间的信道,i＝1,…,K,维度为N BS×1，N BS为基站数量；F是一个N BS×N BS的DFT矩阵；H SI表示微波带外空间的信道矩阵,维度为N BS×K。
S3、用户分组：由于微波系统和毫米波系统在空间增益最大角度上近似相等，所以可以将该分组结果直接用于毫米波系统。根据以下公式计算各用户空间增益最大角标信息，
其中，argmax表示表示寻找具有最大评分的参量。
依据各用户空间增益最大角标信息，将所有最大角标相等的用户分一组，一共N BS组，计为大波束域分组
同时注意到每个分组都对应着一个宽大的波束域，这个宽大的波束可以覆盖数个毫米波系统形成的精细波束，所以在进行后续波束搜索过程将细化这些宽大的波束域，而找到更精细的波束配对。
S4、波束搜索：根据分组信息通过时分的方式进行轮询搜索。在毫米波系统基站的波束搜索阶段，将其如图4分为N BS个子帧，每个子帧内进行穷尽搜索，每个子帧中只需要NBS/N BS次搜索，子帧内也可以使用二分法进行搜索，此具体方法不在本发明考虑范围内。
S5、用户信息反馈：在基站进行逐帧搜索过程中，只有本分组内用户采用穷尽搜索法进行接收波束匹配搜索，而非本组用户则保持静默，不进行接收波束搜索以及后续的波束选择算法。用户的反馈可以通过微波系统的上行信道进行及时反馈。而反馈过程因为只保留本分组内的搜索配对结果，可以视作把传统算法中无用冗余的信息剪裁掉，从而减小用户能耗，反馈开销，提升系统效率。
S6、数据分组传输：在得到S5步骤中所有用户反馈的信息后，每个用户分组中进行子分组，子分组依据如下：
首先确定基站毫米波系统配置RF数目MRF，子分组数目等于此值。然后在各用户反馈信息向量中找出最大值后将其设为0，在用修改后的向量进行相关运算，应用贪婪算法将相关最大的一组向量对应的用户分入第1子分组，在剩下的相关值中选取最大值，分入第2子分组，如此循环一直到子分组数目到达最大值或者用户分配完毕。
在数据传输时，仍然采用大波束域分组轮流传输策略，在每个传输时在MRF个子分组中随机选取一个用户，分别分配给一个RF链路进行数据传输，可以有效的消除用户之间的干扰。
本发明的有益效果是：
引入带外空间信息，有效规避了毫米波系统波束搜索初始阶段接受信噪比低，以及可能因此造成的较高的估计误差概率。
通过分组策略充分利用带外空间信息，在基站端压缩搜索范围，进行更加精准的初始范围内进行波束搜索。在用户端，使用非本组搜索子帧保持静默的策略，减少接受波束搜索次数，节省用户能耗。
同样得益于分组策略，用户端在反馈过程中，只需反馈本组对应的搜索子帧内的波束匹配信息，去除传统搜索方法中需要反馈更多冗余信息的弊端，减小反馈开销，提升系统效率。
数据传输阶段采用相关子分组方法，减小用户间干扰。
附图说明
图1为多用户多宽带MIMO系统框图。
图2为全数字波束成形微波收发系统图。
图3为模拟波束成形毫米波收发系统图。
图4为波束搜索阶段帧结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步详细描述。
将本发明的方案应用在如图1所示的多宽带MIMO系统，考虑到目前多级码本算法存在初始波束搜索阶段接受信噪比过低，所以本发明将利用微波系统的空间信息来辅助毫米波链接的建立，特别是在为模拟或者混合波束成形毫米波系统找到最优的收发波束对。由于微波系统天线没有装备大规模天线阵列，所以被假设为具有窄带MIMO信道同时是传统的全数字结构。微波系统和毫米波系统都将在收发两端采用均匀线性阵列(ULA)。为了方便叙述，以此图2和图3所示的特定系统为例，微波基站天线装备N BS＝8根天线，毫米波基站则装备NBS＝64根天线，用户K＝32分别同时装备N UE＝1根微波天线和NUE＝8根毫米波天线。假设微波系统和毫米波系统相互可以通信，比如基站端两系统部署接近，可以忽略其位置差别，且相互通过高速接口互通数据，而用户端则假设两系统是一体设计的，所以假设两个系统都共享信息。
多用户毫米波系统中基于带外空间信息的用户分组方法，该方法采用微波系统的空间信息来辅助毫米波链接的建立，其特征在于，包括以下步骤：
S1、上行信道信息获得：通过现在成熟的信道估计方法，比如基于导频训练的LS估计算法，在基站端获得所有用户的微波系统的上行信道矩阵H＝[h 1,h 2...h i...h 32]∈C8×32；
其中，h i表示第i个微波信道,i＝1,…,32,维度为8×1；H表示微波信道矩阵,维度为8×32。
S2、空间信息转化：根据该信道矩阵计算出带外空间信息矩阵,其计算公式如下
其中，h SI表示第i个微波带外空间的信道,i＝1,…,32,维度为8×1；F是一个8×8的DFT矩阵；H SI表示微波带外空间的信道矩阵,维度为8×32。
S3、用户分组：由于微波系统和毫米波系统在空间增益最大角度上近似相等，所以可以将该分组结果直接用于毫米波系统。根据以下公式计算各用户空间增益最大角标信息，
其中，argmax表示表示寻找具有最大评分的参量。
依据各用户空间增益最大角标信息，将所有最大角标相等的用户分一组，一共8组，计为大波束域分组
同时注意到每个分组都对应着一个宽大的波束域，这个宽大的波束可以覆盖数个毫米波系统形成的精细波束，所以在进行后续波束搜索过程将细化这些宽大的波束域，而找到更精细的波束配对。
S4、波束搜索：根据分组信息通过时分的方式进行轮询搜索。在毫米波系统基站的波束搜索阶段，将其如图4分为8个子帧，每个子帧内进行穷尽搜索，每个子帧中只需要8次搜索，子帧内也可以使用二分法进行搜索，此具体方法不在本发明考虑范围内。
S5、用户信息反馈：在基站进行逐帧搜索过程中，只有本分组内用户采用穷尽搜索法进行接收波束匹配搜索，而非本组用户则保持静默，不进行接收波束搜索以及后续的波束选择算法。用户的反馈可以通过微波系统的上行信道进行及时反馈。而反馈过程因为只保留本分组内的搜索配对结果，可以视作把传统算法中无用冗余的信息剪裁掉，从而减小用户能耗，反馈开销，提升系统效率。
S6、数据分组传输：在得到S5步骤中所有用户反馈的信息后，每个用户分组中进行子分组，子分组依据如下：
首先确定基站毫米波系统配置RF数目64，子分组数目等于此值。然后在各用户反馈信息向量中找出最大值后将其设为0，在用修改后的向量进行相关运算，应用贪婪算法将相关最大的一组向量对应的用户分入第1子分组，在剩下的相关值中选取最大值，分入第2子分组，如此循环一直到子分组数目到达最大值或者用户分配完毕。
在数据传输时，仍然采用大波束域分组轮流传输策略，在每个传输时在64个子分组中随机选取一个用户，分别分配给一个RF链路进行数据传输，可以有效的消除用户之间的干扰。

Claims (1)

1.多用户毫米波系统中基于带外空间信息的用户分组方法，该方法采用微波系统的空间信息来辅助毫米波链接的建立，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取上行信道信息：采用信道估计方法，在基站端获得所有用户的微波系统的上行信道矩阵
其中，h i表示第i个微波信道,i＝1,…,K,维度为N BS×1，N BS为基站数量；H表示微波信道矩阵,维度为N BS×K；
S2、空间信息转化：根据步骤S1获得的信道矩阵计算出带外空间信息矩阵,其计算公式如下：
<mrow> <msup> <munder> <mi>H</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </munder> <mrow> <mi>S</mi> <mi>I</mi> </mrow> </msup> <mo>=</mo> <mi>F</mi> <munder> <mi>H</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </munder> <mo>=</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msubsup> <munder> <mi>h</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </munder> <mn>1</mn> <mrow> <mi>S</mi> <mi>I</mi> </mrow> </msubsup> <msubsup> <munder> <mi>h</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </munder> <mn>2</mn> <mrow> <mi>S</mi> <mi>I</mi> </mrow> </msubsup> <mn>...</mn> <msubsup> <munder> <mi>h</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </munder> <mi>i</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>I</mi> </mrow> </msubsup> <mn>...</mn> <msubsup> <munder> <mi>h</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </munder> <mi>K</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>I</mi> </mrow> </msubsup> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>&amp;Element;</mo> <msup> <mi>C</mi> <mrow> <msub> <munder> <mi>N</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </munder> <mrow> <mi>B</mi> <mi>S</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mi>K</mi> </mrow> </msup> </mrow>
其中，h SI表示第i个微波带外空间的信道,i＝1,…,K,维度为N BS×1，N BS为基站数量；F是一个N BS×N BS的DFT矩阵；H SI表示微波带外空间的信道矩阵,维度为N BS×K；
S3、用户分组：根据以下公式计算各用户空间增益最大角标信息，
<mrow> <msubsup> <mi>h</mi> <mi>i</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>d</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <mi>arg</mi> <mi> </mi> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <munder> <mi>h</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </munder> <mi>i</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>I</mi> </mrow> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mi>K</mi> </mrow>
其中，argmax表示表示寻找具有最大评分的参量；
依据各用户空间增益最大角标信息，将所有最大角标相等的用户分一组，一共N BS组，计为大波束域分组
S4、波束搜索：根据分组信息通过时分的方式进行轮询搜索；
S5、用户信息反馈：在基站进行逐帧搜索过程中，只有本分组内用户采用穷尽搜索法进行接收波束匹配搜索，而非本组用户则保持静默，不进行接收波束搜索以及后续的波束选择算法；
S6、数据分组传输：在得到S5步骤中所有用户反馈的信息后，每个用户分组中进行子分组，子分组依据如下：
首先确定基站毫米波系统配置RF数目MRF，子分组数目等于此值；然后在各用户反馈信息向量中找出最大值后将其设为0，在用修改后的向量进行相关运算，应用贪婪算法将相关最大的一组向量对应的用户分入第1子分组，在剩下的相关值中选取最大值，分入第2子分组，如此循环一直到子分组数目到达最大值或者用户分配完毕。
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