CN110365379A - 一种大规模天线系统联合码分和波束分多址方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，包括以下步骤：S1：基站通过上行链路专用物理控制信道获取各用户特征方向上的特征模式能量耦合矩阵；S2：基站利用特征模式能量耦合矩阵，通过层次聚类的方法进行用户分组；S3：基站利用特征模式能量耦合矩阵，进行各种用户、码道和波束组合下的和速率计算；S4：采用贪婪算法实现最大化和速率准则下的用户调度，获取各个码道的通信用户集合、每个码道内的用户波束配对组合。本发明极大地降低大规模天线系统下用户调度的复杂度，利用大规模MIMO技术的优势，设计联合码分和波束分多址系统，具有较好的适用性和鲁棒性。

Description

一种大规模天线系统联合码分和波束分多址方法

技术领域

本发明涉及一种大规模天线系统联合码分和波束分多址方法。

背景技术

大规模多输入多输出(MIMO)是一种在基站侧部署大规模天线阵列的新兴技术。作为提高无线通信系统容量与可靠性的手段，这种技术得到了广泛的研究与关注，已被纳入许多无线通信标准中，并被视为未来无线通信的潜在演进方向之一。

然而，上述优势是以基站侧信道状态信息(CSI)获取的开销为代价来实现的。在频分双工(FDD)系统中，传统方案需要通过下行链路导频训练与发送端状态信息反馈两步来实现，其开销随着基站侧天线的数量线性地增加，因此不再适合大规模MIMO系统。在时分双工(TDD)系统中，由于可以利用信道互易性，基站侧可以通过上行导频训练获得下行链路的信道信息，导频开销与用户天线的总数成正比。此外，随着用户移动性的增加，发送导频所花费的时间可能超过信道的相干时间，导致没有足够时间传输数据。相比于瞬时信道状态信息，统计信道状态信息在更长的时间尺度上变化，所以利用统计信道状态信息的方法成为解决瞬时信道参数获取困难的合理选择。

此外，目前大规模MIMO带来的优势很少用于为码分多址系统提供增益。作为第三代移动通信系统的关键技术标准，码分多址系统在当今无线通信标准和市场中占有主导地位。但是，现有技术中的码分多址系统的码分多址方法往往具有较高的用户调度复杂度。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，能够解决现有技术中存在的“用户调度复杂度高”的技术问题。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，包括以下步骤：

S1：基站通过上行链路专用物理控制信道获取各用户特征方向上的特征模式能量耦合矩阵；

S2：基站利用特征模式能量耦合矩阵，通过层次聚类的方法进行用户分组；

S3：基站利用特征模式能量耦合矩阵，进行各种用户、码道和波束组合下的和速率计算；

S4：采用贪婪算法实现最大化和速率准则下的用户调度，获取各个码道的通信用户集合、每个码道内的用户波束配对组合。

进一步，所述步骤S1中的特征模式能量耦合矩阵通过式(1)得到：

式(1)中，为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，和均表示的第m个元素，M为基站天线数，N_slot＝15为一个帧内的时隙数目，为第j个时隙、第m个符号、第k个用户在第p条路径上波束域信道系数的估计值，τ_k,m,p为第k个用户、第m个符号在第p条路径上的时延，T_chip为码片周期，L为信道冲激响应长度，(·)^*表示共轭。

进一步，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S2.1：K为用户数，计算所有用户对之间特征模式能量耦合矩阵的重合度θ(Ω_k,Ω_l)：

式(2)中，Ω_k为第k个用户的特征模式能量耦合矩阵，为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，M为基站天线数，Ω_l为第l个用户的特征模式能量耦合矩阵，为第l个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，L为信道冲激响应长度，为与的内积，为的范数，为的范数；

S2.2：初始化：设置循环步骤i_c＝0，将各用户划入不同的用户集合初始集合数N＝K，K为用户数，表示第i_c＝0次循环得到的第k₁个用户集合，1≤k₁≤K；

S2.3：使用平均连接的准则计算各用户分组之间的距离

式(3)中，为第i_c次循环得到的第a个用户集合，为的势，为第i_c次循环得到的第b个用户集合，为的势；

S2.4：通过式(4)寻找距离最近的两个用户集合：

式(4)中，a^*为距离最近的两个用户集合中的一个用户集合所对应的编号，b^*为距离最近的两个用户集合中的另一个用户集合所对应的的编号，为与之间的距离；

然后通过将和归为一个集合，为第i_c+1次循环得到的第a个用户集合；为第i_c次循环得到的第a^*个用户集合，也即为距离最近的两个用户集合中的一个用户集合；为第i_c次循环得到的第b^*个用户集合，也即为距离最近的两个用户集合中的另一个用户集合；

S2.5：设置集合数N＝N-1，若N_c为码道个数，则令i_c＝i_c+1，返回步骤S2.3；否则转至步骤S2.6；

S2.6：终止聚类，返回用户分组其中，为第i_c次循环得到的第k₂个用户集合，1≤k₂≤N。

进一步，所述步骤S3中的和速率通过式(5)计算得到：

式(5)中，为和速率，为共用第n_c个码道的用户集合；b₁,...,b_K为各用户的通信波束，其中为第k₃个用户的通信波束，1≤k₃≤K，K为用户数；为第n_c个码道上用户的功率，P为基站侧总功率，N_c为码道个数，G为扩频系数，为的第b_k个元素，为的第b_k个元素，为的第b_l个元素，l为除第k个用户外共用第n_c个码道的其他用户，Ω_k为第k个用户的特征模式能量耦合矩阵，为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，M为基站天线数，为第k个用户在第j个时延上的特征模式能量耦合矩阵， 为的共轭，为数学期望，为的共轭，为信道化码序列的第j位，0≤j≤G-1，为信道化码序列的第j′位，0≤j′≤G-1，为第k个用户在第n_c个码道上的波束域权值矢量的共轭转置，为第k个用户在第i-j′-1个时延上的波束域信道冲激响应，为第k个用户在第i-j-1个时延上的波束域信道冲激响应，为第l个用户在第n_c个码道上的波束域权值矢量，为信道化码序列的第j′位，n′_c为第n′_c个码道，为的共轭，为的共轭转置，为的共轭转置，R_k,n为噪声的协方差矩阵，为第k个用户的卷积信道矩阵；

为信道化码序列的扩展，表示从集合中去除元素k，L为信道冲激响应长度。

进一步，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S4.1：初始化用户和波束集合，初始每个码道的通信用户集合为各码道剩余波束集合为为第个码道的通信用户集合，为第个码道的剩余波束集合，N_c为码道个数，M为基站天线数；

S4.2：初始化当前调度码道序号n_c＝1；

S4.3：设置第n_c个码道上的和速率第n_c个码道的可选用户组为用户集合数，初始化搜索次数i_g＝1；

S4.4：遍历所有的对于第n_g个用户组，通过式(7)逐一为每个用户选择最优波束b_k；为第n_g个用户集合；

式(7)中，为第n_c个码道的剩余波束集合，m为第n_c个码道的剩余波束波束序号；

并计算加入用户u后的速率

挑选使得第n_c个码道和速率最大的用户

S4.5：选择使得第n_c个码道和速率最大的用户组n′_g：

S4.6：若第n′_g个用户组中第个用户加入后和速率增加，即则选择该用户，更新可选用户组第n_c个码道的通信用户集合第n′_g个用户组的剩余用户集合第n_c个码道的空闲波束集合以及第n_c个码道的和速率返回步骤S4.4进行循环；否则设置n_c＝n_c+1，转至步骤S4.2；

S4.7：终止调度，返回每个码道选择的用户集合各用户的通信波束b₁,...,b_K。

有益效果：本发明公开了一种大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，通过上行探测信号获取统计信道信息，采用和速率最大化准则进行用户调度。在基站仅有统计信道信息的情况下，通过用户分组，极大地降低大规模天线系统下用户调度的复杂度，利用大规模MIMO技术的优势，设计联合码分和波束分多址系统，具有较好的适用性和鲁棒性。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中方法的流程图；

图2为本发明具体实施方式中发送信号处理的架构图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：基站通过上行链路专用物理控制信道获取各用户特征方向上的特征模式能量耦合矩阵；

S2：基站利用特征模式能量耦合矩阵，通过层次聚类的方法进行用户分组；

S3：基站利用特征模式能量耦合矩阵，进行各种用户、码道和波束组合下的和速率计算；

S4：采用贪婪算法实现最大化和速率准则下的用户调度，获取各个码道的通信用户集合、每个码道内的用户波束配对组合。

步骤S1中的特征模式能量耦合矩阵通过式(1)得到：

式(1)中，为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，和均表示的第m个元素，M为基站天线数，N_slot＝15为一个帧内的时隙数目，为第j个时隙、第m个符号、第k个用户在第p条路径上波束域信道系数的估计值，τ_k,m,p为第k个用户、第m个符号在第p条路径上的时延，T_chip为码片周期，L为信道冲激响应长度，(·)^*表示共轭。

步骤S2具体包括以下步骤：

S2.1：K为用户数，计算所有用户对之间特征模式能量耦合矩阵的重合度θ(Ω_k,Ω_l)：

式(2)中，Ω_k为第k个用户的特征模式能量耦合矩阵，为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，M为基站天线数，Ω_l为第l个用户的特征模式能量耦合矩阵，为第l个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，L为信道冲激响应长度，为与的内积，为的范数，为的范数；

S2.2：初始化：设置循环步骤i_c＝0，将各用户划入不同的用户集合初始集合数N＝K，K为用户数，表示第k₁个用户集合的第i_c＝0次循环，1≤k₁≤K；

S2.3：使用平均连接的准则计算各用户分组之间的距离

式(3)中，为第i_c次循环得到的第a个用户集合，为的势，为第i_c次循环得到的第b个用户集合，为的势；

S2.4：通过式(4)寻找距离最近的两个用户集合：

式(4)中，a^*为距离最近的两个用户集合中的一个用户集合所对应的编号，b^*为距离最近的两个用户集合中的另一个用户集合所对应的的编号，为与之间的距离；

然后通过将和归为一个集合，为第a个用户集合的第i_c+1次循环；为第i_c次循环得到的第a^*个用户集合，也即为距离最近的两个用户集合中的一个用户集合；为第i_c次循环得到的第b^*个用户集合，也即为距离最近的两个用户集合中的另一个用户集合；

S2.5：设置集合数N＝N-1，若N_c为码道个数，则令i_c＝i_c+1，返回步骤S2.3；否则转至步骤S2.6；

S2.6：终止聚类，返回用户分组其中，为第i_c次循环得到的第k₂个用户集合，1≤k₂≤N。

将发送信号按照如图2所示的过程传输，则步骤S3中的和速率通过式(5)计算得到：

式(5)中，为和速率，为共用第n_c个码道的用户集合；b₁,...,b_K为各用户的通信波束，其中为第k₃个用户的通信波束，1≤k₃≤K，K为用户数；为第n_c个码道上用户的功率，P为基站侧总功率，N_c为码道个数，G为扩频系数，为的第b_k个元素，为的第b_k个元素，为的第b_l个元素，l为除第k个用户外共用第n_c个码道的其他用户，Ω_k为第k个用户的特征模式能量耦合矩阵，为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，M为基站天线数，为第k个用户在第j个时延上的特征模式能量耦合矩阵， 为的共轭，为数学期望，为的共轭，为信道化码序列的第j位，0≤j≤G-1，为信道化码序列的第j′位，0≤j′≤G-1，为第k个用户在第n_c个码道上的波束域权值矢量的共轭转置，为第k个用户在第i-j′-1个时延上的波束域信道冲激响应，为第k个用户在第i-j-1个时延上的波束域信道冲激响应，为第l个用户在第n_c个码道上的波束域权值矢量，为信道化码序列的第j′位，n′_c为第n′_c个码道，为的共轭，为的共轭转置，为的共轭转置，R_k,n为噪声的协方差矩阵，为第k个用户的卷积信道矩阵；

为信道化码序列的扩展，表示从集合中去除元素k，L为信道冲激响应长度。

步骤S4具体包括以下步骤：

S4.1：初始化用户和波束集合，初始每个码道的通信用户集合为各码道剩余波束集合为为第个码道的通信用户集合，为第个码道的剩余波束集合，N_c为码道个数，M为基站天线数；

S4.2：初始化当前调度码道序号n_c＝1；

S4.3：设置第n_c个码道上的和速率第n_c个码道的可选用户组为用户集合数，初始化搜索次数i_g＝1；

S4.4：遍历所有的对于第n_g个用户组，通过式(7)逐一为每个用户选择最优波束b_k；为第n_g个用户集合；

式(7)中，为第n_c个码道的剩余波束集合，m为第n_c个码道的剩余波束波束序号；

并计算加入用户u后的速率

挑选使得第n_c个码道和速率最大的用户

S4.5：选择使得第n_c个码道和速率最大的用户组n′_g：

S4.6：若第n′_g个用户组中第个用户加入后和速率增加，即则选择该用户，更新可选用户组第n_c个码道的通信用户集合第n′_g个用户组的剩余用户集合第n_c个码道的空闲波束集合以及第n_c个码道的和速率返回步骤S4.4进行循环；否则设置n_c＝n_c+1，转至步骤S4.2；

S4.7：终止调度，返回每个码道选择的用户集合各用户的通信波束b₁,...,b_K。

Claims (5)

1.一种大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：基站通过上行链路专用物理控制信道获取各用户特征方向上的特征模式能量耦合矩阵；

S2：基站利用特征模式能量耦合矩阵，通过层次聚类的方法进行用户分组；

S3：基站利用特征模式能量耦合矩阵，进行各种用户、码道和波束组合下的和速率计算；

S4：采用贪婪算法实现最大化和速率准则下的用户调度，获取各个码道的通信用户集合、每个码道内的用户波束配对组合。

2.根据权利要求1所述的大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，其特征在于：所述步骤S1中的特征模式能量耦合矩阵通过式(1)得到：

式(1)中，为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，和均表示的第m个元素，M为基站天线数，N_slot＝15为一个帧内的时隙数目，为第j个时隙、第m个符号、第k个用户在第p条路径上波束域信道系数的估计值，τ_k,m,p为第k个用户、第m个符号在第p条路径上的时延，T_chip为码片周期，L为信道冲激响应长度，(·)^*表示共轭。

3.根据权利要求1所述的大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：

S2.1：K为用户数，计算所有用户对之间特征模式能量耦合矩阵的重合度θ(Ω_k,Ω_l)：

式(2)中，Ω_k为第k个用户的特征模式能量耦合矩阵，为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，M为基站天线数，Ω_l为第l个用户的特征模式能量耦合矩阵，为第l个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，L为信道冲激响应长度，为与的内积，为的范数，为的范数；

S2.2：初始化：设置循环步骤i_c＝0，将各用户划入不同的用户集合初始集合数N＝K，K为用户数，表示第i_c＝0次循环得到的第k₁个用户集合，1≤k₁≤K；

S2.3：使用平均连接的准则计算各用户分组之间的距离

式(3)中，为第i_c次循环得到的第a个用户集合，为的势，为第i_c次循环得到的第b个用户集合，为的势；

S2.4：通过式(4)寻找距离最近的两个用户集合：

式(4)中，a^*为距离最近的两个用户集合中的一个用户集合所对应的编号，b^*为距离最近的两个用户集合中的另一个用户集合所对应的的编号，为与之间的距离；

然后通过将和归为一个集合，为第i_c+1次循环得到的第a个用户集合；为第i_c次循环得到的第a^*个用户集合，也即为距离最近的两个用户集合中的一个用户集合；为第i_c次循环得到的第b^*个用户集合，也即为距离最近的两个用户集合中的另一个用户集合；

S2.5：设置集合数N＝N-1，若N_c为码道个数，则令i_c＝i_c+1，返回步骤S2.3；否则转至步骤S2.6；

S2.6：终止聚类，返回用户分组其中，为第i_c次循环得到的第k₂个用户集合，1≤k₂≤N。

4.根据权利要求1所述的大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，其特征在于：所述步骤S3中的和速率通过式(5)计算得到：

式(5)中，为和速率，为共用第n_c个码道的用户集合；b₁,...,b_K为各用户的通信波束，其中为第k₃个用户的通信波束，1≤k₃≤K，K为用户数；为第n_c个码道上用户的功率，P为基站侧总功率，N_c为码道个数，G为扩频系数，为的第b_k个元素，为的第b_k个元素，为的第b_l个元素，l为除第k个用户外共用第n_c个码道的其他用户，Ω_k为第k个用户的特征模式能量耦合矩阵，为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，M为基站天线数，为第k个用户在第j个时延上的特征模式能量耦合矩阵， 为的共轭，为数学期望， 为的共轭，为信道化码序列的第j位，0≤j≤G-1，为信道化码序列的第j′位，0≤j′≤G-1，为第k个用户在第n_c个码道上的波束域权值矢量的共轭转置，为第k个用户在第i-j′-1个时延上的波束域信道冲激响应，为第k个用户在第i-j-1个时延上的波束域信道冲激响应，为第l个用户在第n_c个码道上的波束域权值矢量， 为信道化码序列的第j′位，n′_c为第n′_c个码道，为的共轭，为的共轭转置，为的共轭转置，R_k,n为噪声的协方差矩阵，为第k个用户的卷积信道矩阵；

为信道化码序列的扩展，表示从集合中去除元素k，L为信道冲激响应长度。

5.根据权利要求4所述的大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括以下步骤：

S4.1：初始化用户和波束集合，初始每个码道的通信用户集合为各码道剩余波束集合为 为第n_c1个码道的通信用户集合， 为第n_c2个码道的剩余波束集合，1≤n_c2≤N_c，N_c为码道个数，M为基站天线数；

S4.2：初始化当前调度码道序号n_c＝1；

S4.3：设置第n_c个码道上的和速率第n_c个码道的可选用户组 为用户集合数，初始化搜索次数i_g＝1；

S4.4：遍历所有的对于第n_g个用户组，通过式(7)逐一为每个用户选择最优波束b_k；为第n_g个用户集合；

式(7)中，为第n_c个码道的剩余波束集合，m为第n_c个码道的剩余波束波束序号；

并计算加入用户u后的速率

挑选使得第n_c个码道和速率最大的用户

S4.5：选择使得第n_c个码道和速率最大的用户组n_g′：

S4.6：若第n′_g个用户组中第个用户加入后和速率增加，即则选择该用户，更新可选用户组第n_c个码道的通信用户集合第n′_g个用户组的剩余用户集合第n_c个码道的空闲波束集合以及第n_c个码道的和速率返回步骤S4.4进行循环；否则设置n_c＝n_c+1，转至步骤S4.2；

S4.7：终止调度，返回每个码道选择的用户集合各用户的通信波束b₁,...,b_K。