CN110855338A - 基于两层预编码的fd-mimo下行自适应传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于两层预编码的FD‑MIMO下行自适应传输方法,包括如下步骤:首先利用用户的统计信道信息进行用户调度;对调度出的用户,利用用户的统计信道信息进行用户分组;对分组后的用户进行两层预编码传输,外层预编码阵仅依赖于用户的统计信道信息,且同一组内用户采用相同的外层预编码阵,内层预编码阵依赖于各组内用户的等效信道信息。本发明能有效减小用户间干扰,并能够以较低的计算复杂度及信道信息反馈量获取较高的系统吞吐量,易于实现;通过设定用户分组的参数,可以灵活地调整基站进行下行传输所需的信道状态信息量,实现信道信息获取开销与系统性能之间的折衷。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于两层预编码下行全维度多输入多输出(Full-DimensionMultiple-Input Multiple-Output,FD-MIMO)系统的自适应传输技术,属于无线通信技术领域。
背景技术
随着人们对通信系统更高的频谱效率和能量效率的需求,在基站端部署大量天线的大规模MIMO无线传输技术得到了广泛的研究。然而,在实际应用中,由于基站物理空间的限制,在传统的均匀线性阵列中部署大规模天线很难实现。为了解决这一问题,近年来人们提出了在基站配置二维网格排列的天线阵列,称为FD-MIMO技术,它能够克服有限的空间对大规模MIMO无线通信系统的限制。在这种场景下,可以使用三维波束成形技术同时利用水平空间维度和垂直空间维度区分用户,使得空间资源被进一步挖掘。
当基站获得准确的瞬时信道状态信息(Channel State Information,CSI)时,采用简单的线性预编码就可以有效地增强系统性能。在时分双工系统中,由于上行信道和下行信道存在互易性,所以可以通过上行信道估计来得到相应的下行信道信息。然而,在频分双工系统中,由于基站通过上行链路反馈获取CSI,因此获取准确的瞬时CSI会产生大量的反馈开销。克服这一困难的有效方法是利用信道的统计CSI,如发送相关阵,均值信息等。相对于瞬时CSI,信道的统计CSI在较长时间内是近似不变的,其精确度相对较高,需要的反馈开销较小。然而,采用这种方法是以损失系统性能为代价换取信道反馈开销的降低。一种折衷的方案是采用两级预编码结构,外层预编码仅取决于用户的统计CSI,内层预编码取决于用户的低维数的等效瞬时CSI。因此,就需要将用户分为不同的用户组,外层的统计预编码用来消除用户组之间的干扰,内层的线性预编码用来消除用户组内部的干扰。
同时,由于系统中能够服务的用户数有限,根据系统的整体性能,确定合理的用户调度准则,对于提升系统性能有重要作用,是系统获得较高吞吐量所不可缺少的重要技术之一。综上所述,针对采用均匀平面天线阵的FD-MIMO下行传输系统,在进行用户调度的基础上,采用基于两层预编码的自适应传输是合适的选择。
发明内容
本发明的目的是为基于两层预编码的下行FD-MIMO传输系统提供一种自适应传输的方法,能够根据统计信道信息衡量用户的垂直方向主模式和水平方向主模式,使被服务用户的传输性能尽可能好;根据用户的统计信道信息进行调度,并根据用户间的相关距离实现一种低复杂度的用户分组,使同一用户组内用户的统计特征方向尽可能接近,不同用户组的用户的统计特征方向尽可能正交。通过对用户分组参数的设定,可以灵活地调整用户组数量的大小及每个用户组内用户数,实现信道信息反馈开销和系统性能之间的折衷。
为达到上述目的,发明采用的方法是:一种基于两层预编码下行FD-MIMO传输系统的自适应传输方法,该方法基于基站来实现,基站采用均匀平面天线阵,包括垂直方向M行天线阵列,水平方向每行N个阵元,每行及每列天线阵元均形成均匀线性天线阵,在水平和垂直方向上相邻天线阵元间距均为载波波长的一半。总用户数为U,每个用户配置单根接收天线,基站最多可服务K个用户;该方法具体包括以下步骤:
步骤一、基站利用已知的用户k,k=1,2,…,U的统计信道信息进行用户调度;
所述统计信道信息包括:用户k信道的垂直发送相关阵以及水平发送相关阵其中为基站与用户k之间的归一化信道矩阵,满足其第m行第n列的元素[Hk]m,n为基站第m行第n列的天线阵元与用户k之间的信道系数,上标(·)H代表共轭转置,E{·}代表求均值,tr{·}代表求矩阵的迹;
所述用户调度的过程包括以下子步骤:
a6)计算
步骤二、基站利用已知的用户统计信道信息将调度出的用户分为L组,具体包括以下子步骤:
b2)令i=1,ci=u1,Si=Si∪{ci},并将u1从用户集合中删除;
b6)若i<L,则进入步骤b3);否则,进入步骤b7);
步骤三、基站利用分组完毕的L组用户的统计信道信息和低维度的等效信道信息对用户进行两级预编码传输,具体包括以下子步骤:
c1)用户组l中各用户采用相同的外层预编码矩阵,其外层预编码矩阵计为
c2)利用用户组l的低维度的等效信道信息计算用户组l中各用户的内层预编码向量,其中用户组l的等效信道信息为为用户组l的信道矩阵,的各行表示用户组l中每个用户的瞬时信道信息,将用户组l中的第k个用户记为用户lk,则的第k行为用户组l中的第k个用户内层预编码向量为为矩阵Ql的第k列,令
c3)利用步骤c1)和c2)得到的外层预编码矩阵和内层预编码向量对已调度的各组用户进行下行预编码传输。
进一步的,所述用户调度方法a6)中衡量用户p与用户q不能同时被服务的程度的计算方法为:
进一步的,所述用户分组方法步骤b3)中用户cg与用户v间的相关距离的计算方法为:
其中,定义为所有已调度用户的ΛV,k最大对角元索引的集合,为所有已调度用户的ΛH,k最大对角元索引的集合;和均为列向量,的元素为中索引属于的全部对角元,的元素为中索引属于的全部对角元,的元素为ΛV,v中索引属于的全部对角元,的元素为ΛH,v中索引属于的全部对角元。
进一步的,所述用户分组方法步骤b7)中用户组l与用户v的距离计算方法为:
其中,为用户u和用户v之间的相关距离,其计算方法为
有益效果:
本发明与现有技术相比,该方法具有如下优点:
(1)本发明仅需要信道的统计信息和低维数的等效瞬时信道信息,所需信道信息量小,适用于大规模天线阵列下的无线通信系统;
(2)本发明设计的用户分组方案复杂度低,易于实现;
(3)本发明可根据通信系统的实际需求,灵活设置不同的用户分组参数,实现信道反馈开销和系统性能之间的折衷。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明,应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
考虑一个多用户下行链路,基站采用均匀平面天线阵,包括垂直方向M行天线阵列,水平方向每行N个阵元,每行及每列天线阵元均形成均匀线性天线阵,在水平和垂直方向上相邻天线阵元间距均为载波波长的一半。总用户数为U,每个用户配置单根接收天线,基站最多可服务K个用户。基站已知U个用户的统计信道信息,其中k=1,2,…,U,统计信道信息包括:用户k信道的垂直发送相关阵以及水平发送相关阵其中为基站与用户k之间的归一化信道矩阵,满足其第m行第n列的元素[Hk]m,n为基站第m行第n列的天线阵元与用户k之间的信道系数,上标(·)H代表共轭转置,E{·}代表求均值,tr{·}代表求矩阵的迹;
基站按如下步骤进行下行自适应传输:
步骤一、基站利用已知的用户k,k=1,2,…,U的统计信道信息进行用户调度;
所述统计信道信息包括:用户k信道的垂直发送相关阵以及水平发送相关阵其中为基站与用户k之间的归一化信道矩阵,满足其第m行第n列的元素[Hk]m,n为基站第m行第n列的天线阵元与用户k之间的信道系数,上标(·)H代表共轭转置,E{·}代表求均值,tr{·}代表求矩阵的迹;
所述用户调度的过程包括以下子步骤:
a6)计算
其中,ηpq为衡量用户p与用户q不能同时被服务程度的参量,计算方法为
其中,为ΛV,p和ΛV,q最大对角元索引的集合,为ΛH,p和ΛH,q最大对角元索引的集合;和分别为ΛV,p和ΛV,q的第s个对角元,和分别为ΛH,p和ΛH,q的第t个对角元。将用户加入集合并将其从集合中删除,然后进入步骤a7);
步骤二、基站利用已知的用户统计信道信息将调度出的用户分为L组,具体包括以下子步骤:
b2)令i=1,ci=u1,Si=Si∪{ci},并将u1从用户集合中删除;
其中,定义为所有已调度用户的ΛV,k最大对角元索引的集合,为所有已调度用户的ΛH,k最大对角元索引的集合;和均为列向量,的元素为中索引属于的全部对角元,的元素为中索引属于的全部对角元,的元素为ΛV,v中索引属于的全部对角元,的元素为ΛH,v中索引属于的全部对角元;
b6)若i<L,则进入步骤b3);否则,进入步骤b7);
其中,和为列向量,的元素为ΛV,u中索引属于的全部对角元,的元素为ΛH,u中索引属于的全部对角元。每对一个用户v计算完,则令Sc=Sc∪{v},并对集合中下一用户进行计算,直至集合中全部用户分组完毕。
步骤三、基站利用分组完毕的L组用户的统计信道信息和低维度的等效信道信息对用户进行两级预编码传输,具体包括以下子步骤:
c1)用户组l中各用户采用相同的外层预编码矩阵,其外层预编码矩阵计为
c2)利用用户组l的低维度的等效信道信息计算用户组l中各用户的内层预编码向量,其中用户组l的等效信道信息为为用户组l的信道矩阵,的各行表示用户组l中每个用户的瞬时信道信息,将用户组l中的第k个用户记为用户lk,则的第k行为用户组l中的第k个用户内层预编码向量为为矩阵Ql的第k列,令
c3)利用步骤c1)和c2)得到的外层预编码矩阵和内层预编码向量对已调度的各组用户进行下行预编码传输。
为使本发明中的技术方案更加清楚明白,下面对本方案进行具体描述:
考虑基于两层预编码下行FD-MIMO传输系统的用户分组与调度的方法,基站采用均匀平面天线阵,包括垂直方向16行天线阵列,水平方向每行32个阵元,共16×32个天线阵元,每行及每列天线阵元均形成均匀线性天线阵,在水平和垂直方向上相邻天线阵元间距均为载波波长的一半。总用户数为100,每个用户配置单根接收天线,基站最多可服务用户数为16。基站基于用户的统计信道信息调度出16个用户并对其进行分组,实现基于两级预编码下行自适应传输;
基站已知各用户的统计信道信息,包括:用户k(k=1,2,…,100)信道的垂直发送相关阵水平发送相关阵其中为基站与用户k之间的归一化信道矩阵,满足其第m行第n列的元素[Hk]m,n为基站第m行第n列的天线阵元与用户k之间的信道系数,上标(·)H代表共轭转置,E{·}代表求均值,tr{·}代表求矩阵的迹;
具体的利用基站利用已知的用户k,k=1,2,…,100的统计信道信息进行用户调度包括以下步骤:
a6)计算
具体的基站利用已知的用户统计信道信息将调度出的用户分为6组包括以下步骤:
b2)令i=1,ci=u1,Si=Si∪{ci},并将u1从用户集合中删除;
其中,定义为所有已调度用户的ΛV,k最大对角元索引的集合,为所有已调度用户的ΛH,k最大对角元索引的集合;和均为列向量,的元素为中索引属于的全部对角元,的元素为中索引属于的全部对角元,的元素为ΛV,v中索引属于的全部对角元,的元素为ΛH,v中索引属于的全部对角元;
b6)若i<6,则进入步骤b3);否则,进入步骤b7);
具体的基站利用分组完毕的L组用户的统计信道信息和低维度的等效信道信息对用户进行两级预编码传输包括以下步骤:
c1)用户组l中各用户采用相同的外层预编码矩阵,其外层预编码矩阵计为
c2)利用用户组l的低维度的等效信道信息计算用户组l中各用户的内层预编码向量,其中用户组l的等效信道信息为为用户组l的信道矩阵,的各行表示用户组l中每个用户的瞬时信道信息,将用户组l中的第k个用户记为用户lk,则的第k行为用户组l中的第k个用户内层预编码向量为为矩阵Ql的第k列,令
c3)利用步骤c1)和c2)得到的外层预编码矩阵和内层预编码向量对已调度的各组用户进行下行预编码传输。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段,还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.基于两层预编码FD-MIMO下行自适应传输方法,其特征在于:所述的基站采用均匀平面天线阵,包括垂直方向M行天线阵列,水平方向每行N个阵元,每行及每列天线阵元均形成均匀线性天线阵,在水平和垂直方向上相邻天线阵元间距均为载波波长的一半;总用户数为U,每个用户配置单根接收天线,基站最多可服务K个用户;方法包括如下步骤:
步骤一、基站利用已知的用户k,k=1,2,…,U的统计信道信息进行用户调度;
所述统计信道信息包括:用户k信道的垂直发送相关阵以及水平发送相关阵其中为基站与用户k之间的归一化信道矩阵,满足其第m行第n列的元素[Hk]m,n为基站第m行第n列的天线阵元与用户k之间的信道系数,上标(·)H代表共轭转置,E{·}代表求均值,tr{·}代表求矩阵的迹;
所述用户调度的过程包括以下子步骤:
a6)计算
步骤二、基站利用已知的用户统计信道信息将调度出的用户分为L组,具体包括以下子步骤:
b6)若i<L,则进入步骤b3);否则,进入步骤b7);
步骤三、基站利用分组完毕的L组用户的统计信道信息和低维度的等效信道信息对用户进行两级预编码传输,具体包括以下子步骤:
c1)用户组l中各用户采用相同的外层预编码矩阵,其外层预编码矩阵计为
c2)利用用户组l的低维度的等效信道信息计算用户组l中各用户的内层预编码向量,其中用户组l的等效信道信息为 为用户组l的信道矩阵,的各行表示用户组l中每个用户的瞬时信道信息,将用户组l中的第k个用户记为用户lk,则的第k行为用户组l中的第k个用户内层预编码向量为 为矩阵Ql的第k列,令
c3)利用步骤c1)和c2)得到的外层预编码矩阵和内层预编码向量对已调度的各组用户进行下行预编码传输。
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