CN110365384B - 一种基于大规模mimo混合波束成形系统的用户调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种基于大规模MIMO混合波束成形系统的用户调度方法，该方法包括以下步骤：S1：用户信道状态信息获取过程：基站向K个用户发送参考信号，用户接收参考信号，并且向基站反馈信道状态信息；S2：用户分类过程：以用户反馈的信道状态信息为依据，取信道增益最大的N个用户分别成N个子集分类的第一个用户，再按照信道相关性确定N个分类中的其他用户；S3：用户选择过程：分别计算N个用户组中的用户的能量，选择每个用户组中能量最大的单个用户；S4：通信波束对选择过程。该方法应用于5G大规模MIMO混合波束成形系统中，同时减小被服务用户间干扰和增强各被服务用户接收信号能量，达到通信系统的要求。

Description

一种基于大规模MIMO混合波束成形系统的用户调度方法
技术领域
本发明涉及一种基于大规模MIMO混合波束成形系统的用户调度方法，可用于混合波束形成技术领域。
背景技术
大规模MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术是贝尔实验室Marzetta在2010年提出来的，将传统MIMO天线数量提高到成百上千甚至无穷大。理论分析表明，随着天线数量趋向于无穷大，多用户信道间将趋于正交，噪声和干扰将趋向于零。另一方面，联合多用户混合波束成形技术的大规模技术可以极大程度地提高系统频谱利用率，因此也成为5G通信系统的必然选择。在毫米波大规模MIMO系统中，仅仅使用模拟波束成形或数字波束成形都是不可取的方案，模拟波束成形仅有一条射频链路与所有天线阵元连接，仅支持单流传输，实现简单但是系统速率太低。而如果在大规模MIMO上采用纯数字波束成形，每根天线后面连接一条独立的射频链路，虽然将面临着实现复杂度高，功耗大的问题。所以射频链路数量远小于天线数量的混合波束成形架构实现了复杂度和性能的良好平衡，更适合在大规模MIMO系统中使用。
在使用混合波束成形结构的过载无线通信系统中，基站可以在同一时频资源中服务多个用户来获得多用户复用增益。然而在实际的多用户配置大规模天线阵的MIMO系统中，基站由于用户间存在干扰和其配备的射频链路数目小于候选用户数的原因，往往不能在同一时频资源上为所有候选用户提供服务。因此完善的用户调度方案对于获得良好的通信系统性能将起到关键性的作用，与传统用户调度时只需选择最优的用户子集不同，在毫米波混合波束成形系统中，用户调度问题需要在两个维度上解决，即联合选择基站在同一时频资源上服务的用户子集以及各被选择用户与基站间通信时使用的通信波束对，因此具有更加复杂的处理流程。目前相关研究工作较为有限，并存在算法复杂度高、需要基于已知信道状态信息(Channel Status Information，CSI)等不足。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于大规模MIMO混合波束成形系统的用户调度方法。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于大规模MIMO混合波束成形系统的用户调度方法，该方法包括以下步骤：
S1：用户信道状态信息获取过程：
基站向K个用户发送参考信号，K个用户接收基站发送的参考信号，并且向基站反馈信道状态信息，基站得到用户反馈的信道状态信息；
S2：用户分类过程：
以S1步骤中得到的用户反馈的k个信道状态信息为依据，计算k个用户的信道增益，取k个用户的信道增益中最大的N个构成N个子集分类的第一个用户，再按照信道相关性确定每个分类中的其他用户；
S3：用户选择过程：
基站根据S步骤中得到的N个分类，在每一类中选择信道能量最大的一个用户，构成所需的N个最佳选择用户；
S4：通信波束对选择过程：基于S3步骤中选择出的最佳的N个用户，按照最大速率和准则，单独遍历波束对进行通信对选择，最终选择出K个用户选择能够获得最大接收信号能量的通信波束对。
优选地，在所述S1步骤中，单个基站配置具有NBS根天线全连接和MBS(MBS＜NBS)个射频链路，能够传输Ns路数据流的场景。
优选地，所述基站能够在同一时频资源上服务的用户总数为N，基站端能够传输的数据流数为NNs；在基站端，发射信号s首先经过基带端的数字波束形成预编码矩阵
Figure BDA0002111339860000031
进行信号相位和幅度的处理，进一步通过射频端模拟波束成形预编码矩阵
Figure BDA0002111339860000032
进行信号相位的处理。
优选地，在所述S2步骤中，将小区内下行链路中等待被服务的k名候选用户根据每名用户与基站之间子信道
Figure BDA0002111339860000033
的信道相关性分为N个子集(Ω1，Ω2，...ΩN)。
优选地，所述S2步骤包括以下步骤：
S21：以S1步骤中得到的用户反馈的k个信道状态信息为依据，计算k个用户的信道增益，取k个用户的信道增益中最大的N个构成N个子集分类的第一个用户；
S22：设定一个信道的相关性阈值，根据阈值来确定N个分组中的其他用户。
优选地，所述S22步骤包括以下步骤：
S222：计算小区中每个用户的信道增益，按照降序排列后对每个用户进行编号，取信道增益最大的前N个用户，分别组成N个用户集合中的第一个元素；
S223：求得所有用户集合Ω与前i-1个用户子集的差集
Figure BDA0002111339860000034
S224：求得的用户子集的差集
Figure BDA0002111339860000035
中每个用户与第i个分类中的第一个用户的子信道间的相关性，若该用户与该集合中的第一个用户的子信道相关性大于设定的阈值，则认为该用户是第i个分类中的组员，反之则否。
优选地，在所述S3步骤中，每个分类中具有最大用户子信道能量的用户Sn(n＝1，2，…，N)被选择，以及其用户子集S：S＝S∪{Sn}；Hk代表用户k与基站之间的空间信道矩阵
Figure BDA0002111339860000041
优选地，所述S4步骤包括以下步骤：
S41：根据最大系统速率和准则，计算用户Sn与基站间使用波束对序号为(i，j)时的接收信号能量
Figure BDA0002111339860000042
基站在同一时频资源上服务N个用户可以获得的系统合速率和R可以表示为：
Figure BDA0002111339860000043
，P表示基站端的平均发射功率，Rk代表第k名用户在下行链路传输中接收到的用户间干扰和噪声的协方差矩阵；
S42：用户Sn选择能够获得最大接收信号能量的通信波束对：
Figure BDA0002111339860000044
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本技术方案针对混合波束成形系统中的用户调度问题，提出了一种寻求低复杂度、并可在已知CSI条件下工作的实用解决方案。
在毫米波信道中，单小区基站采用混合波束成形结构，配置均匀大规模平面阵天线和多射频链路，支持多路数据流传输，基站能够服务多名用户，用户采用混合波束成形结构，配置均匀大规模平面阵天线和单个射频链路，支持单路数据流传输。所述方法应用于5G大规模MIMO混合波束成形系统中，同时减小被服务用户间干扰和增强各被服务用户接收信号能量两个角度。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程示意图。
图2为本发明所述方法中单小区大规模MIMO系统示意图。
图3为本发明所述方法中混合波束成形系统模型示意图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种基于大规模MIMO混合波束成形系统的用户调度方法，所述方法的场景为大规模MIMO混合波束成形单小区下行链路，所述方法的流程示意图如图1所示，所述方法中单小区的大规模MIMO系统示意图如图2所示，所述方法中混合波束成形系统的模型示意图如图3所示。
该方法包括以下步骤：
S1：用户信道状态信息获取过程：
基站向K个用户发送参考信号，K个用户接收基站发送的参考信号，并且向基站反馈信道状态信息，基站得到用户反馈的信道状态信息。
S2：用户分类过程：
以S1步骤中得到的用户反馈的k个信道状态信息为依据，计算k个用户的信道增益，取k个用户的信道增益中最大的N个构成N个子集分类的第一个用户，再按照信道相关性确定每个分类中的其他用户。
S3：用户选择过程：
基站根据S步骤中得到的N个分类，在每一类中选择信道能量最大的一个用户，构成所需的N个最佳选择用户。
S4：通信波束对选择过程：基于S3步骤中选择出的最佳的N个用户，按照最大速率和准则，单独遍历波束对进行通信对选择，最终选择出K个用户选择能够获得最大接收信号能量的通信波束对。
在所述S1步骤中，单个基站配置具有NBS根天线全连接和MBS(MBS＜NBS)个射频链路，能够传输Ns路数据流的场景。所述基站能够在同一时频资源上服务的用户总数为N，基站端能够传输的数据流数为NNs；在基站端，发射信号s首先经过基带端的数字波束形成预编码矩阵
Figure BDA0002111339860000061
进行信号相位和幅度的处理，进一步通过射频端模拟波束成形预编码矩阵
Figure BDA0002111339860000062
进行信号相位的处理。
具体地，在本技术方案中，小区中的单个基站配置具有NBS根天线全连接和MBS(MBS＜NBS)个射频链路，能够传输Ns路数据流的场景。
为保证基站端的射频链路的通信有效性，基站能在同一时频资源上服务的用户总数为N(N＜K并且N≤MBS)，因此基站端可以传输的数据流数为NNs。在基站端，发射信号s首先经过基带端的数字波束形成预编码矩阵
Figure BDA0002111339860000063
进行信号相位和幅度的处理，进一步通过射频端模拟波束成形预编码矩阵
Figure BDA0002111339860000064
进行信号相位的处理。
在所述S2步骤中，将小区内下行链路中等待被服务的k名候选用户根据每名用户与基站之间子信道
Figure BDA0002111339860000065
的信道相关性分为N个子集(Ω1，Ω2，…ΩN)。
所述S2步骤包括以下步骤：
S21：以S1步骤中得到的用户反馈的k个信道状态信息为依据，计算k个用户的信道增益，取k个用户的信道增益中最大的N个构成N个子集分类的第一个用户；
S22：设定一个信道的相关性阈值，根据阈值来确定N个分组中的其他用户。
所述S22步骤包括以下步骤：
S222：计算小区中每个用户的信道增益，按照降序排列后对每个用户进行编号，取信道增益最大的前N个用户，分别组成N个用户集合中的第一个元素；
S223：求得所有用户集合Ω与前i-1个用户子集的差集
Figure BDA0002111339860000071
S224：求得的用户子集的差集
Figure BDA0002111339860000072
中每个用户与第i个分类中的第一个用户的子信道间的相关性，若该用户与该集合中的第一个用户的子信道相关性大于设定的阈值，则认为该用户是第i个分类中的组员，反之则否。
在所述S3步骤中，每个分类中具有最大用户子信道能量的用户Sn(n＝1，2，…，N)被选择，以及其用户子集S：S＝S∪{Sn}；Hk代表用户k与基站之间的空间信道矩阵
Figure BDA0002111339860000073
所述S4步骤包括以下步骤：S41：根据最大系统速率和准则，计算用户Sn与基站间使用波束对序号为(i，j)时的接收信号能量
Figure BDA0002111339860000074
基站在同一时频资源上服务N个用户可以获得的系统合速率和R可以表示为：
Figure BDA0002111339860000075
，P表示基站端的平均发射功率，Rk代表第k名用户在下行链路传输中接收到的用户间干扰和噪声的协方差矩阵；
S42：用户Sn选择能够获得最大接收信号能量的通信波束对：
Figure BDA0002111339860000081
本技术方案中该方法的具体步骤如下：
S1：用户信道状态信息获取过程：
基站向K个用户发送参考信号，K个用户接收基站发送的参考信号，并且向基站反馈信道状态信息，基站得到用户反馈的信道状态信息；
S2：用户分类过程：
将小区内下行链路中等待被服务的k名候选用户根据每名用户与基站之间子信道
Figure BDA0002111339860000082
的信道相关性分为N个子集(Ω1，Ω2，…ΩN)。
小区内的下行链路中等待服务的K名用户组成的集合为Ω＝{1，2，…，K}；基站能够同时服务的用户数为N。
(1)确定N个分类的第一个用户集合：根据步骤S2中得到的计算小区中每个用户的信道增益，按照降序排列后对每个用户进行编号，取信道增益最大的前N个用户，分别组成N个用户集合中的第一个元素。
(2)确定N个分类中的第i个分类的其他的用户集合：求得所有用户集合Ω与前i-1个用户子集的差集
Figure BDA0002111339860000083
求用户子集的差集
Figure BDA0002111339860000084
中每个用户与第i个分类中的第一个用户的子信道间的相关性，若该用户与该集合中的第一个用户的子信道相关性大于设定的阈值，则认为该用户是第i个分类中的组员，反之则否。
判断用户子信道间的相关性我们可以从子空间的相关性这个准则来判断。子空间的相关性是一种能够反应两个矩阵子空间相似度的标准，可以用于表征用户的空间分离程度。一般地，给定两个矩阵HA和HB，两个矩阵的相关性可以表示为：
Figure BDA0002111339860000091
由此可见，取值越低，两个矩阵即用户信道相关性越低，折中考虑将阈值定为0.5。
S3：用户选择过程：
用户子集S：S＝S∪{Sn}，Hk代表用户k与基站之间的空间信道矩阵。
Figure BDA0002111339860000092
Figure BDA0002111339860000093
在N个分类中，每个分类中具有最大用户子信道能量的用户Sn(n＝1，2，…，N)被选择。
S4：最佳通信波束对选择过程：
S41：基站在同一时频资源上服务N个用户可以获得的系统合速率和R可以表示为：
Figure BDA0002111339860000094
P表示基站端的平均发射功率，Rk代表第k名用户在下行链路传输中接收到的用户间干扰和噪声的协方差矩阵。
根据最大系统速率和准则得出以下的数据：
(1)用户端使用的模拟波束形成预编码矩阵：
Figure BDA0002111339860000095
(2)生成用户端使用的模拟波束成形合并矩阵：
Figure BDA0002111339860000101
(3)利用破零算法(ZF)计算基站端的数字波束成形预编码矩阵：
Figure BDA0002111339860000102
(4)利用破零算法(ZF)计算用户端的数字波束成形合并矩阵：
Figure BDA0002111339860000103
S42：计算用户Sn与基站间使用波束对序号为(i，j)时的接收信号能量
Figure BDA0002111339860000104
S43：用户Sn选择能够获得最大接收信号能量的通信波束对：
Figure BDA0002111339860000105
方法包括：基站向用户端发送参考信号，并且各个用户向基站反馈信道信息状态；基站根据各用户间的空间信道状态信息得出的信道的增益和相关性进行分组；根据其分组后的结果，在每个用户组中选择能量最大的用户；用户选择后，进行基于多用户单独遍历的波束训练机制进行最佳通信波束对选择，即最大系统可达速率和通信波束对，完成大规模MIMO系统中的用户调度。
在毫米波信道中，单小区基站采用混合波束成形结构，配置均匀大规模平面阵天线和多射频链路，支持多路数据流传输，基站能够服务多名用户，用户采用混合波束成形结构，配置均匀大规模平面阵天线和单个射频链路，支持单路数据流传输。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于大规模MIMO混合波束成形系统的用户调度方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：用户信道状态信息获取过程：
基站向K个用户发送参考信号，K个用户接收基站发送的参考信号，并且向基站反馈信道状态信息，基站得到用户反馈的信道状态信息；
S2：用户分类过程：
以S1步骤中得到的用户反馈的k个信道状态信息为依据，计算k个用户的信道增益，取k个用户的信道增益中最大的N个构成N个子集分类的第一个用户，再按照信道相关性确定每个分类中的其他用户；
S3：用户选择过程：
基站根据S2步骤中得到的N个分类，在每一类中选择信道能量最大的一个用户，构成所需的N个最佳选择用户；
S4：通信波束对选择过程：基于S3步骤中选择出的最佳的N个用户，按照最大速率和准则，单独遍历波束对进行通信对选择，最终选择出K个用户能够获得最大接收信号能量的通信波束对。
2.根据权利要求1所述的一种基于大规模MIMO混合波束成形系统的用户调度方法，其特征在于：在所述S1步骤中，单个基站配置具有NBS根天线全连接和MBS个射频链路，能够传输Ns路数据流的场景，其中，MBS＜NBS。
3.根据权利要求1所述的一种基于大规模MIMO混合波束成形系统的用户调度方法，其特征在于：所述基站能够在同一时频资源上服务的用户总数为N，基站端能够传输的数据流数为NNs；在基站端，发射信号s首先经过基带端的数字波束形成预编码矩阵
Figure QLYQS_1
进行信号相位和幅度的处理，进一步通过射频端模拟波束成形预编码矩阵
Figure QLYQS_2
进行信号相位的处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于大规模MIMO混合波束成形系统的用户调度方法，其特征在于：在所述S2步骤中，将小区内下行链路中等待被服务的k名候选用户根据每名用户与基站之间子信道
Figure QLYQS_3
其中，k＝1,2,…,k的信道相关性分为N个子集(Ω1，Ω2，…ΩN)。
5.根据权利要求2所述的一种基于大规模MIMO混合波束成形系统的用户调度方法，其特征在于：
所述S2步骤包括以下步骤：
S21：以S1步骤中得到的用户反馈的k个信道状态信息为依据，计算k个用户的信道增益，取k个用户的信道增益中最大的N个构成N个子集分类的第一个用户；
S22：设定一个信道的相关性阈值，根据阈值来确定N个分组中的其他用户。
6.根据权利要求5所述的一种基于大规模MIMO混合波束成形系统的用户调度方法，其特征在于：所述S22步骤包括以下步骤：
S222：计算小区中每个用户的信道增益，按照降序排列后对每个用户进行编号，取信道增益最大的前N个用户，分别组成N个用户集合中的第一个元素；
S223：求得所有用户集合Ω与前i-1个用户子集的差集
Figure QLYQS_4
S224：求得用户子集的差集
Figure QLYQS_5
中每个用户与第i个分类中的第一个用户的子信道间的相关性，若该用户与该集合中的第一个用户的子信道相关性大于设定的阈值，则认为该用户是第i个分类中的组员，反之则否。
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