CN110149133A - 一种基于波束空间的大规模上行传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波束空间的大规模上行传输方法。小区中心布置着多天线基站，小区内分布着大量的单天线终端，并同时接入无线网络。基站通过波束空间信道估计，获得所有终端到基站的波束空间信道状态信息，即信道自相关矩阵。基站根据所获得的信息，将终端分为若干个簇，并根据波束空间信道信息为所有终端设计接收机和发射功率。在每个相干时间中，基站首先估计每个终端的信道增益，然后所有终端同时向基站传输信号。基站收到信号后，对同一簇内的终端进行基于波束空间的串行干扰抵消，依次解出所有终端的信号。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上行传输方法

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上行传输方法。

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。

在大规模接入的场景中，大规模多天线技术可以有效地提高信道容量和多接入能力，是一项已被广泛接受5G系统的关键技术。然而，终端数量和天线数量均很大时，基站进行信道估计的难度会急剧增大，如果要求基站获取所有终端的瞬时的信道状态信息，将会带来巨大的资源开销，甚至过长的训练时间会导致信道信息失效，所以基于统计信道信息的传输可以有效地降低信道获取的复杂度。同时，现有的基于统计信道信息的传输技术不具有提供大规模接入的能力，由于基站不具有瞬时信道信息，难以利用空间自由度降低干扰，同时非正交多址中普遍使用的串行干扰抵消技术也无法根据统计信道信息来完成。据此，本发明利用了波束空间的特性来利用天线阵列相关性以降低终端间干扰，并提出了基于统计信道信息和信道增益的串行干扰抵消技术来增强系统的大规模接入能力和信道容量。

发明内容

本发明的目的是为了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，提出了一种基于波束空间的大规模上行传输方法，并对终端的分簇，基站接收机的设计和终端功率的分配提出了有效方法。

本发明所采用的具体技术方案如下:

一种基于波束空间的大规模上行传输方法，其包括如下步骤：

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R；

2)基站的天线数量为N_t，最大允许的簇的数量为M_max，基站将终端分为M个簇，并对簇内终端进行排序，其中M≤M_max，第m个簇内有N_m个终端，m＝1,...,M；

3)基站根据波束空间信道信息进行传输参数设计，为第m个簇设计一个接收机w_m，为第m个簇的第n个终端设计接收机放缩因子a_m,n和发射功率p_m,n，并将发射功率p_m,n告知对应的终端，m＝1,...,M，n＝1,...,N_m；

4)在每个相干时间开始时，基站使用信道估计方法获取每个终端的信道增益h_m,n为第m个簇中第n个终端的瞬时信道信息；

5)终端按照基站的功率设计发射信号，基站接收到信号后，对同一簇内的终端进行基于波束空间信道信息的串行干扰抵消，依次解出所有终端的信号。

基于上述技术方案，其中的部分步骤可采用如下优选方式实现。

步骤2)中的终端分簇和排序方法为：

a)将所有终端的信道自相关矩阵R_m,n进行特征分解，得到R_m,n＝UΛ_m,nU^H，其中特征向量矩阵U对于所有终端相同，由基站天线阵列决定；使用u_c表示U的第c个列向量，用λ_m,n,c表示对角矩阵Λ_m,n对角线上的第c个元素，c＝1,...,N_t；

b)首先将最大特征值在同一位置上的所有终端划分在同一个簇中，得到最多N_t个簇；

c)根据最大允许的簇的数量M_max，如果当前簇的数量超过M_max，依次将相邻且终端总数最少的两个簇合并为一个簇，直到簇的数量满足要求。

d)对于每个簇，按簇内信道二阶范数的从大到小的顺序对终端进行排序，即实现：tr(Λ_m,1)≥tr(Λ_m,2)≥…≥tr(Λ_m,Nm)。

步骤3)中的传输参数设计方法为：

a)将参数初始化，令p_m,n＝P_m,n，q_m＝0，其中P_m,n表示终端可以提供的最大传输功率，q_m是波束空间中的接收机，能够与特征向量矩阵U组合为实际需要的接收机向量w_m；

b)令[q_m]_x＝1，其中，x为使簇内所有终端特征值之和最大的位置，[*]_x表示向量的第x个元素。

c)根据等式：更新接收机缩放因子a_m,n，其中用于描述串行干扰抵消的影响：σ²为接收信号中的高斯噪声；

d)根据如下等式更新中间变量β_m,n：

tr()表示矩阵的迹；

e)使用凸优化方法求解Π_m，使表达式

最小化，并更新q_m令其中[*]_ii表示矩阵的第i行第i列的元素；

e)根据如下等式更新p_m,n：

其中θ_m,n表示每个终端的权重；

f)如果变量a_m,n，q_m，p_m,n均收敛，则令w_m＝Uq_m，并按此结果进行传输参数设计，否则重新跳回步骤c)。

步骤5)中的基于波束空间信道信息的串行干扰抵消方法为：基站将接收信号经过属于第m个簇的接收机，并首先对簇内排序靠前的终端进行解码，解码后将其从簇的接收信号中减去，逐一完成簇内所有终端的信号解码。

步骤2)中M_max由基站拥有的射频链路和解码模块的数量决定。

本发明具有的有益效果是：本发明提出的接收机设计方法和串行干扰抵消技术，可以基于波束空间内的天线相关特性，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上行传输方法的系统示意图；

图2是在基站限制功率变化的情况下，本发明大规模上行传输方法的总频谱效率与天线数的关系。

具体实施方式

基于波束空间的大规模上行传输方法的系统框图如图1所示，基站有N_t根天线，每个终端配置1根天线。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，基于这些状态信息，首先将终端分为若干个簇，并为每个终端设计传输能量并为每个簇设计接收机。基站接收到信号后，对同一簇内的终端信号进行串行干扰抵消，以减少干扰，提高系统的性能。

本实施例所采用的具体技术方案如下:

一种基于波束空间的大规模上行传输方法，包括如下步骤：

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R；

2)基站的天线数量为N_t，最大允许的簇的数量为M_max，M_max由基站拥有的射频链路和解码模块的数量决定。基站将终端分为M个簇，并对簇内终端进行排序，其中M≤M_max，第m个簇内有N_m个终端，m＝1,...,M。

其中的终端分簇和排序方法为：

a)将所有终端的信道自相关矩阵R_m,n进行特征分解，得到R_m,n＝UΛ_m,nU^H，其中特征向量矩阵U对于所有终端相同，由基站天线阵列决定；使用u_c表示U的第c个列向量，用λ_m,n,c表示对角矩阵Λ_m,n对角线上的第c个元素，c＝1,...,N_t；

b)首先将最大特征值在同一位置上的所有终端划分在同一个簇中，得到最多N_t个簇；

c)根据最大允许的簇的数量M_max，如果当前簇的数量超过M_max，依次将相邻且终端总数最少的两个簇合并为一个簇，直到簇的数量满足要求。

d)对于每个簇，按簇内信道二阶范数的从大到小的顺序对终端进行排序，即实现：tr(Λ_m,1)≥tr(Λ_m,2)≥…≥tr(Λ_m,Nm)。

3)基站根据波束空间信道信息进行传输参数设计，为第m个簇设计一个接收机w_m，为第m个簇的第n个终端设计接收机放缩因子a_m,n和发射功率p_m,n，并将发射功率p_m,n告知对应的终端，m＝1,...,M，n＝1,...,N_m。

其中的传输参数设计方法的子步骤依次为：

a)将参数初始化，令p_m,n＝P_m,n，q_m＝0，其中P_m,n表示终端可以提供的最大传输功率，q_m是波束空间中的接收机，能够与特征向量矩阵U组合为实际需要的接收机向量w_m；

b)令[q_m]_x＝1，其中，x为使簇内所有终端特征值之和最大的位置，[*]_x表示向量的第x个元素。

c)根据等式：更新接收机缩放因子a_m,n，其中用于描述串行干扰抵消的影响：σ²为接收信号中的高斯噪声；

d)根据如下等式更新中间变量β_m,n：

tr()表示矩阵的迹；

e)使用凸优化方法求解Π_m，使表达式

最小化，并更新q_m令其中[*]_ii表示矩阵的第i行第i列的元素；

e)根据如下等式更新p_m,n：

其中θ_m,n表示每个终端的权重；

f)如果变量a_m,n，q_m，p_m,n均收敛，则令w_m＝Uq_m，并按此结果进行传输参数设计，否则重新跳回步骤c)重新更新接收机缩放因子a_m,n。

4)在每个相干时间开始时，基站使用信道估计方法获取每个终端的信道增益h_m,n为第m个簇中第n个终端的瞬时信道信息；

5)终端按照基站的功率设计发射信号，基站接收到信号后，对同一簇内的终端进行基于波束空间信道信息的串行干扰抵消，依次解出所有终端的信号。其中的基于波束空间信道信息的串行干扰抵消方法为：基站将接收信号经过属于第m个簇的接收机，并首先对簇内排序靠前的终端进行解码，解码后将其从簇的接收信号中减去，逐一完成簇内所有终端的信号解码。

通过计算机仿真可以看出：如图2所示，本发明的接收机设计和发射功率分配方案有效地利用了大规模天线的增益，本发明提出的基于波束空间的大规模上行传输方法可以为大规模通信系统提供一种高效的终端接入方法。

Claims (5)

1.一种基于波束空间的大规模上行传输方法，其特征在于包括如下步骤：

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R；

2)基站的天线数量为N_t，最大允许的簇的数量为M_max，基站将终端分为M个簇，并对簇内终端进行排序，其中M≤M_max，第m个簇内有N_m个终端，m＝1,...,M；

3)基站根据波束空间信道信息进行传输参数设计，为第m个簇设计一个接收机w_m，为第m个簇的第n个终端设计接收机放缩因子a_m,n和发射功率p_m,n，并将发射功率p_m,n告知对应的终端，m＝1,...,M，n＝1,...,N_m；

4)在每个相干时间开始时，基站使用信道估计方法获取每个终端的信道增益h_m,n为第m个簇中第n个终端的瞬时信道信息；

5)终端按照基站的功率设计发射信号，基站接收到信号后，对同一簇内的终端进行基于波束空间信道信息的串行干扰抵消，依次解出所有终端的信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于波束空间的大规模上行传输方法，其特征是步骤2)中的终端分簇和排序方法为：

a)将所有终端的信道自相关矩阵R_m,n进行特征分解，得到R_m,n＝UΛ_m,nU^H，其中特征向量矩阵U对于所有终端相同，由基站天线阵列决定；使用u_c表示U的第c个列向量，用λ_m,n,c表示对角矩阵Λ_m,n对角线上的第c个元素，c＝1,...,N_t；

b)首先将最大特征值在同一位置上的所有终端划分在同一个簇中，得到最多N_t个簇；

c)根据最大允许的簇的数量M_max，如果当前簇的数量超过M_max，依次将相邻且终端总数最少的两个簇合并为一个簇，直到簇的数量满足要求。

d)对于每个簇，按簇内信道二阶范数的从大到小的顺序对终端进行排序，即实现：

3.根据权利要求1所述的一种基于波束空间的大规模上行传输方法，其特征是步骤3)中的传输参数设计方法为：

a)将参数初始化，令p_m,n＝P_m,n，q_m＝0，其中P_m,n表示终端可以提供的最大传输功率，q_m是波束空间中的接收机，能够与特征向量矩阵U组合为实际需要的接收机向量w_m；

b)令[q_m]_x＝1，其中，x为使簇内所有终端特征值之和最大的位置，[*]_x表示向量的第x个元素。

c)根据等式：更新接收机缩放因子a_m,n，其中用于描述串行干扰抵消的影响：σ²为接收信号中的高斯噪声；

d)根据如下等式更新中间变量β_m,n：

tr()表示矩阵的迹；

e)使用凸优化方法求解Π_m，使表达式

最小化，并更新q_m令其中[*]_ii表示矩阵的第i行第i列的元素；

e)根据如下等式更新p_m,n：

其中θ_m,n表示每个终端的权重；

f)如果变量a_m,n，q_m，p_m,n均收敛，则令w_m＝Uq_m，并按此结果进行传输参数设计，否则重新跳回步骤c)。

4.根据权利要求1所述的一种基于波束空间的大规模上行传输方法，其特征是步骤5)中的基于波束空间信道信息的串行干扰抵消方法为：基站将接收信号经过属于第m个簇的接收机，并首先对簇内排序靠前的终端进行解码，解码后将其从簇的接收信号中减去，逐一完成簇内所有终端的信号解码。

5.根据权利要求1所述的一种基于波束空间的大规模上行传输方法，其特征是步骤2)中M_max由基站拥有的射频链路和解码模块的数量决定。