CN108966337B - 一种基于波束空间的大规模接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波束空间的大规模接入方法。本发明中基站通过信道估计，获得基站到所有终端的统计信道状态信息，然后基站根据所获得的终端的方位角，将终端分为若干个簇，并根据信道自相关矩阵中的波束空间信道信息为所有终端设计波束，基站将所有终端的信号经过波束成形并叠加后发射出去，最后终端收到信号后，首先对同一簇内信道增益较弱的终端的信号进行解码，然后将这些终端的信号从接收信号中减去，最后对自身的信号进行解码，从而降低同一簇内终端之间的干扰。本发明为具有大规模终端接入的，通信终端计算能力较差的物联网提供了一种有效的非正交多接入方法。

Description

一种基于波束空间的大规模接入方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于波束空间的大规模接入方法。

背景技术

随着物联网以及人工智能的兴起与发展，未来的无线网络需要支持大规模的无线终端的同时接入。在当前广泛采用的正交多接入技术中，如时分复用多接入(TDMA)、频分复用多接入(FDMA)和码分复用多接入(CDMA)，一个无线资源块只能分配给一个移动终端。由于无线资源的稀缺性，传统的正交多接入技术很难支持大规模终端的同时接入。在这种情况下，非正交多接入技术得到了大量的研究，并被广泛认为是5G等未来宽带无线通信系统的关键技术之一。

非正交多接入技术主要利用发射端的叠加编码和接收端的串行干扰抵消实现高效的多终端接入。然而，当接入终端数较大时，串行干扰抵消的复杂度将非常大。另一方面，由于终端规模的庞大，基站对所有终端的瞬时信道状态信息的获取成为一个比较困难的任务。因此可以将终端分为若干个簇，并且只在簇内执行串行干扰抵消以降低终端计算复杂度。同时，基站只需要获取基站到终端的统计信道状态信息，就极大地降低了获取信道状态信息的开销。然而，终端分簇后将引入新的簇间干扰，即不同簇内的终端互相干扰十分明显。为了提高大规模接入技术的性能，必须有效抑制簇间干扰。众所周知，大规模多天线技术是一种有效的干扰抑制技术。并且，大规模多天线技术也是5G系统的关键技术之一。因此，可以将非正交多接入和大规模多天线技术结合起来，就能降低簇间的相互干扰，有效增强系统的性能。

发明内容

针对现有的技术空白和缺点，本发明旨在解决现有接入方案中大规模终端接入时信道估计复杂和计算复杂度较高等问题，提供了一种基于波束空间的大规模接入方法。本发明具体采用的技术方案如下：

一种基于波束空间的大规模接入方法包括以下步骤：

(1)基站根据长期的信道估计，获得每个终端的信道自相关矩阵和方位角；

(2)根据基站天线阵列的分辨能力将空间分割为N_t个子空间，并依据终端的方位角，将同一个子空间内的终端分配在同一个簇中，共得到M个簇，第m个簇内有N_m个终端，m＝1,...,M，N_t为基站的天线数量；

(3)基站根据波束空间信道信息，为第m个簇的第n个终端设计一个终端发射波束w_m,n，并将所有终端的信号叠加后进行发射，m＝1,...,M，n＝1,...,N_m；

(4)终端接到基站发射的信号后，对同一簇内的终端信号进行串行干扰抵消，最后对自身信号进行解码。

作为优选，所述步骤(3)包含以下子步骤：

(31)对所有终端的信道自相关矩阵进行分解：

R_m,n＝UΛ_m,nU^H

其中R_m,n为第m个簇的第n个终端即终端(m,n)的信道自相关矩阵；U为所有特征列向量组成的矩阵，由天线阵列决定，u_c表示U的第c个列向量,c＝1,...,N_t；Λ_m,n为对角矩阵，η_m,n,c表示Λ_m,n对角线上的第c个元素，c＝1,...,N_t；U^H为U的共轭转置矩阵；

(32)初始化功率

令：

其中p_m,n,c为终端(m,n)的发射波束在u_c方向上的功率；P_max为基站提供的最大传输功率，K为总终端数量；

(33)计算中间变量v_m,n,c和

公式如下：

其中Φ_m,n,c为终端(m,n)在第c个等效子信道上的接收功率，MSE_m,n,c为终端(m,n)在第c个等效子信道上的接收信号的最小均方误差；

同时初始化拉格朗日乘子μ；

(34)更新功率

公式如下：

其中α_m,n为终端(m,n)的系统优先级权重；

同时更新拉格朗日乘子，当拉格朗日乘子收敛时进入步骤(35)，否则重复执行本步骤；

(35)如果

收敛，则按收敛后的结果进行波束设计，即

否则跳回步骤(33)继续执行。

作为优选，步骤(4)中所述的串行干扰抵消的方法如下：任一终端首先对同一簇内信道增益弱于自身的终端的信号进行解码，并将这些信号从接收信号中减去，最后对自身的信号进行解码。

作为优选，所述的拉格朗日乘子初始化为μ＝1。

作为优选，所述的更新拉格朗日乘子的公式如下：

其中μ(t+1)为第t+1轮迭代的乘子，μ(t)为第t轮迭代的乘子，[x]⁺＝max{0,x}，ρ为梯度法更新时的步长。

本发明的一种基于波束空间的大规模接入方法，相比于传统的无线终端多接入技术，可以基于波束空间内的功率分配，在有利于串行干扰抵消执行的前提下，明显提高对大规模终端的接入能力，降低信道估计复杂度和接收端计算复杂度。

附图说明

图1是基于波束空间的大规模接入方法的场景示意图；

图2是本发明方法与常用的时分多址接入方法的性能比较图；

图3是在总功率保持不变的情况下，本发明方法的总频谱效率与终端数的关系。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示为本发明的系统框图，展示了基于波束空间的大规模接入方法的场景，基站中由控制模块进行波束选择和功率分配。基站有N_t根天线，每个终端配置1根天线，其中若干个终端组成一个簇。基站利用长时间的信道估计获得终端的波束空间信道状态信息，并基于这些状态信息，为每个终端的信号设计波束以及波束的能量。终端接收到信号后，对同一簇内的终端的信号进行串行干扰抵消，以减少干扰，提高系统的性能。

基于波束空间的大规模接入方法包括以下步骤：

(1)基站根据长期的信道估计，获得每个终端的信道自相关矩阵和方位角；

(2)根据基站天线阵列的分辨能力将空间分割为N_t个子空间，并依据终端的方位角，将同一个子空间内的终端分配在同一个簇中，共得到M个簇，第m个簇内有N_m个终端，m＝1,...,M，N_t为基站的天线数量；

(3)基站根据波束空间信道信息，为第m个簇的第n个终端设计一个终端发射波束w_m,n，并将所有终端的信号叠加后进行发射，m＝1,...,M，n＝1,...,N_m；

本步骤包含以下子步骤：

(31)对所有终端的信道自相关矩阵进行分解：

R_m,n＝UΛ_m,nU^H

其中R_m,n为第m个簇的第n个终端即终端(m,n)的信道自相关矩阵；U为所有特征列向量组成的矩阵，由天线阵列决定，u_c表示U的第c个列向量,c＝1,...,N_t；Λ_m,n为对角矩阵，η_m,n,c表示Λ_m,n对角线上的第c个元素，c＝1,...,N_t；U^H为U的共轭转置矩阵；

(32)初始化功率

令：

其中p_m,n,c为终端(m,n)的发射波束在u_c方向上的功率；P_max为基站提供的最大传输功率，K为总终端数量；

(33)计算中间变量v_m,n,c和

公式如下：

其中Φ_m,n,c为终端(m,n)在第c个等效子信道上的接收功率，MSE_m,n,c为终端(m,n)在第c个等效子信道上的接收信号的最小均方误差；

同时初始化拉格朗日乘子μ，μ＝1。

(34)更新功率

公式如下：

其中α_m,n为终端(m,n)的系统优先级权重；

同时更新拉格朗日乘子，公式如下：

其中μ(t+1)为第t+1轮迭代的乘子，μ(t)为第t轮迭代的乘子，[x]⁺＝max{0,x}，ρ为梯度法更新时的步长；

当拉格朗日乘子收敛时进入步骤(35)，否则重复执行本步骤；

(35)如果

收敛，则按收敛后的结果进行波束设计，即

否则跳回步骤(33)继续执行。

(4)终端接到基站发射的信号后，对同一簇内的终端信号进行串行干扰抵消，最后对自身信号进行解码。本步骤中，串行干扰抵消的方法如下：任一终端首先对同一簇内信道增益弱于自身的终端的信号进行解码，并将这些信号从接收信号中减去，最后对自身的信号进行解码。

通过计算机仿真可以看出：如图2所示，本发明的波束设计和发射功率分配方案相较于传统的时分多址接入方法，在使用相同的总发射功率时，加权总频谱效率有明显的提升，特别是在高功率的情况下表现出更为优异的性能。如图3所示，在保持总发射功率不变的情况下，随着同时服务的终端的增多，本发明提出的一种基于波束空间的大规模接入方法性能可以获得明显提高。

因此，本发明的方法可以基于波束空间内的功率分配，在有利于串行干扰抵消执行的前提下，明显提高对大规模终端的接入能力，降低信道估计复杂度和接收端计算复杂度，为大规模通信系统提供一种高效的无线终端接入方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于波束空间的大规模接入方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)基站根据长期的信道估计，获得每个终端的信道自相关矩阵和方位角；

(2)根据基站天线阵列的分辨能力将空间分割为N_t个子空间，并依据终端的方位角，将同一个子空间内的终端分配在同一个簇中，共得到M个簇，第m个簇内有N_m个终端，m＝1,…,M，N_t为基站的天线数量；

(3)基站根据波束空间信道信息，为第m个簇的第n个终端设计一个终端发射波束w_m,n，并将所有终端的信号叠加后进行发射，m＝1,…,M，n＝1,…,N_m；

步骤(3)具体操作如下：

(31)对所有终端的信道自相关矩阵进行分解：

R_m,n＝UΛ_m,nU^H

其中R_m,n为第m个簇的第n个终端即终端(m,n)的信道自相关矩阵；U为所有特征列向量组成的矩阵，由天线阵列决定，u_c表示U的第c个列向量；Λ_m,n为对角矩阵，η_m,n,c表示Λ_m,n对角线上的第c个元素；U^H为U的共轭转置矩阵；c＝1,…,N_t；

(32)初始化功率p_m,n,c,

令：

其中p_m,n,c为终端(m,n)的发射波束在u_c方向上的功率；P_max为基站提供的最大传输功率，K为总终端数量；

(33)计算中间变量v_m,n,c和β_m,n,c，

公式如下：

其中Φ_m,n,c为终端(m,n)在第c个等效子信道上的接收功率，MSE_m,n,c为终端(m,n)在第c个等效子信道上的接收信号的最小均方误差；

同时初始化拉格朗日乘子μ；

(34)更新功率p_m,n,c,

公式如下：

其中α_m,n为终端(m,n)的系统优先级权重；

同时更新拉格朗日乘子，当拉格朗日乘子收敛时进入步骤(35)，否则重复执行本步骤；

(35)如果p_m,n,c,

收敛，则按收敛后的结果进行波束设计，即

否则跳回步骤(33)继续执行；

(4)终端接到基站发射的信号后，对同一簇内的终端信号进行串行干扰抵消，最后对自身信号进行解码。

2.根据权利要求1所述的一种基于波束空间的大规模接入方法，其特征在于步骤(4)中所述的串行干扰抵消的方法如下：任一终端首先对同一簇内信道增益弱于自身的终端的信号进行解码，并将这些信号从接收信号中减去，最后对自身的信号进行解码。

3.根据权利要求1所述的一种基于波束空间的大规模接入方法，其特征在于所述的拉格朗日乘子初始化为μ＝1。

4.根据权利要求1所述的一种基于波束空间的大规模接入方法，其特征在于所述的更新拉格朗日乘子的公式如下：

其中μ(t+1)为第t+1轮迭代的乘子，μ(t)为第t轮迭代的乘子，[x]⁺＝max{0,x}，ρ为梯度法更新时的步长。

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