CN110855338B - 基于两层预编码的fd-mimo下行自适应传输方法 - Google Patents

基于两层预编码的fd-mimo下行自适应传输方法 Download PDF

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CN110855338B CN201911031699.7A CN201911031699A CN110855338B CN 110855338 B CN110855338 B CN 110855338B CN 201911031699 A CN201911031699 A CN 201911031699A CN 110855338 B CN110855338 B CN 110855338B
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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

基于两层预编码的FD-MIMO下行自适应传输方法
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
Figure BDA0002250326830000021
以及水平发送相关阵
Figure BDA0002250326830000022
其中
Figure BDA0002250326830000023
为基站与用户k之间的归一化信道矩阵，满足
Figure BDA0002250326830000024
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：
a1)初始化候选用户集合
Figure BDA0002250326830000025
调度用户集合
Figure BDA0002250326830000026
为空集。对任意用户
Figure BDA0002250326830000027
计算
Figure BDA0002250326830000028
以及
Figure BDA0002250326830000029
其中FM和FN分别为M×M和N×N的DFT矩阵，其第m行第n列的元素分别为
Figure BDA00022503268300000210
和
Figure BDA00022503268300000211
e为自然对数，j为虚数单位；
a2)分别找出用户k的垂直方向主模式和水平方向主模式，即ΛV,k和ΛH,k的最大对角元
Figure BDA00022503268300000212
和
Figure BDA00022503268300000213
并找出其相应的索引
Figure BDA00022503268300000214
和
Figure BDA00022503268300000215
即
Figure BDA00022503268300000216
其中，
Figure BDA00022503268300000217
和
Figure BDA00022503268300000218
分别为
Figure BDA00022503268300000219
的第i个对角元和
Figure BDA00022503268300000220
的第j个对角元；
a3)基站根据各用户的
Figure BDA00022503268300000221
和
Figure BDA00022503268300000222
将用户分为
Figure BDA00022503268300000223
类，分类准则为：若
Figure BDA00022503268300000224
则将用户k归为第
Figure BDA00022503268300000225
类，其中，
Figure BDA00022503268300000226
Figure BDA00022503268300000227
a4)基站分别从每类用户中选择垂直方向主模式和水平方向主模式乘积最大的用户，即
Figure BDA00022503268300000228
最大的用户，将其加入集合
Figure BDA00022503268300000229
并从集合
Figure BDA00022503268300000230
中删除；
a5)若
Figure BDA00022503268300000231
其中
Figure BDA00022503268300000232
表示集合
Figure BDA00022503268300000233
中的用户数，则从已选择用户中剔除垂直方向主模式和水平方向主模式乘积最小的
Figure BDA0002250326830000031
个用户，即
Figure BDA0002250326830000032
最小的
Figure BDA0002250326830000033
个用户，并结束用户调度；否则，进入步骤a6)；
a6)计算
Figure BDA0002250326830000034
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，将用户
Figure BDA0002250326830000035
加入集合
Figure BDA0002250326830000036
并将其从集合
Figure BDA0002250326830000037
中删除，然后进入步骤a7)；
a7)若
Figure BDA0002250326830000038
且集合
Figure BDA0002250326830000039
不为空集，则进入步骤a6)；否则，结束用户调度。
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：
b1)将调度出的用户集合
Figure BDA00022503268300000310
表示为
Figure BDA00022503268300000311
第l个用户组的用户集合记为Sl，第l个用户组中的第一个用户记为cl,l＝1,…,L，并将Sl,l＝1,…,L均初始化为空集；
b2)令i＝1，ci＝u1，Si＝Si∪{ci}，并将u1从用户集合
Figure BDA00022503268300000312
中删除；
b3)在集合
Figure BDA00022503268300000313
中寻找与用户c1,…,ci-1,ci间最小距离最大的用户u，即
Figure BDA00022503268300000314
其中，
Figure BDA00022503268300000315
为用户cg与用户v间的相关距离，1≤g≤i，
Figure BDA00022503268300000316
b4)令i＝i+1，ci＝u，Si＝Si∪{ci}，并将用户u从集合
Figure BDA00022503268300000317
中删除；
b5)若
Figure BDA00022503268300000318
结束用户分组；否则，进入步骤b6)；
b6)若i＜L，则进入步骤b3)；否则，进入步骤b7)；
b7)对用户
Figure BDA00022503268300000319
逐个计算与其距离最近的用户组，即用户组
Figure BDA00022503268300000320
其中
Figure BDA00022503268300000321
为用户组l与用户v的距离；每对一个用户v计算完，则令Sc＝Sc∪{v}，并对集合
Figure BDA00022503268300000322
中下一用户进行计算，直至集合
Figure BDA00022503268300000323
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
Figure BDA00022503268300000324
其中上标(·)C代表共轭，
Figure BDA00022503268300000325
和
Figure BDA00022503268300000326
分别表示用户组l内用户的ΛV,k和ΛH,k矩阵最大对角元索引的集合，
Figure BDA00022503268300000437
为矩阵A删去列索引不属于集合
Figure BDA00022503268300000438
的列后所得的子矩阵；
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
Figure BDA0002250326830000041
为用户组l的信道矩阵，
Figure BDA0002250326830000042
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
Figure BDA0002250326830000043
的第k行为
Figure BDA0002250326830000044
用户组l中的第k个用户内层预编码向量为
Figure BDA0002250326830000045
为矩阵Ql的第k列，令
Figure BDA0002250326830000046
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：
Figure BDA0002250326830000047
其中，
Figure BDA0002250326830000048
为ΛV,p和ΛV,q最大对角元索引的集合，
Figure BDA0002250326830000049
为ΛH,p和ΛH,q最大对角元索引的集合；
Figure BDA00022503268300000410
和
Figure BDA00022503268300000411
分别为ΛV,p和ΛV,q的第s个对角元，
Figure BDA00022503268300000412
和
Figure BDA00022503268300000413
分别为ΛH,p和ΛH,q的第t个对角元。
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：
Figure BDA00022503268300000414
其中，定义
Figure BDA00022503268300000415
为所有已调度用户的ΛV,k最大对角元索引的集合，
Figure BDA00022503268300000416
为所有已调度用户的ΛH,k最大对角元索引的集合；
Figure BDA00022503268300000417
和
Figure BDA00022503268300000418
均为列向量，
Figure BDA00022503268300000419
的元素为
Figure BDA00022503268300000420
中索引属于
Figure BDA00022503268300000421
的全部对角元，
Figure BDA00022503268300000422
的元素为
Figure BDA00022503268300000423
中索引属于
Figure BDA00022503268300000424
的全部对角元，
Figure BDA00022503268300000425
的元素为ΛV,v中索引属于
Figure BDA00022503268300000426
的全部对角元，
Figure BDA00022503268300000427
的元素为ΛH,v中索引属于
Figure BDA00022503268300000428
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：
Figure BDA00022503268300000429
其中，
Figure BDA00022503268300000430
为用户u和用户v之间的相关距离，其计算方法为
Figure BDA00022503268300000431
其中，
Figure BDA00022503268300000432
和
Figure BDA00022503268300000433
为列向量，
Figure BDA00022503268300000434
的元素为ΛV,u中索引属于
Figure BDA00022503268300000435
的全部对角元，
Figure BDA00022503268300000436
的元素为ΛH,u中索引属于
Figure BDA0002250326830000051
的全部对角元。
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
Figure BDA0002250326830000052
以及水平发送相关阵
Figure BDA0002250326830000053
其中
Figure BDA0002250326830000054
为基站与用户k之间的归一化信道矩阵，满足
Figure BDA0002250326830000055
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
Figure BDA0002250326830000056
以及水平发送相关阵
Figure BDA0002250326830000057
其中
Figure BDA0002250326830000058
为基站与用户k之间的归一化信道矩阵，满足
Figure BDA0002250326830000059
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：
a1)初始化候选用户集合
Figure BDA0002250326830000061
调度用户集合
Figure BDA0002250326830000062
为空集。对任意用户
Figure BDA0002250326830000063
计算
Figure BDA0002250326830000064
以及
Figure BDA0002250326830000065
其中FM和FN分别为M×M和N×N的DFT矩阵，其第m行第n列的元素分别为
Figure BDA0002250326830000066
和
Figure BDA0002250326830000067
e为自然对数，j为虚数单位；
a2)分别找出用户k的垂直方向主模式和水平方向主模式，即ΛV,k和ΛH,k的最大对角元
Figure BDA0002250326830000068
和
Figure BDA0002250326830000069
并找出其相应的索引
Figure BDA00022503268300000610
和
Figure BDA00022503268300000611
即
Figure BDA00022503268300000612
其中，
Figure BDA00022503268300000613
和
Figure BDA00022503268300000614
分别为ΛV,k的第i个对角元和ΛH,k的第j个对角元；
a3)基站根据各用户的
Figure BDA00022503268300000615
和
Figure BDA00022503268300000616
将用户分为
Figure BDA00022503268300000617
类，分类准则为：若
Figure BDA00022503268300000618
且
Figure BDA00022503268300000619
则将用户k归为第
Figure BDA00022503268300000642
类，其中，
Figure BDA00022503268300000620
Figure BDA00022503268300000621
a4)基站分别从每类用户中选择垂直方向主模式和水平方向主模式乘积最大的用户，即
Figure BDA00022503268300000622
最大的用户，将其加入集合
Figure BDA00022503268300000623
并从集合
Figure BDA00022503268300000624
中删除；
a5)若
Figure BDA00022503268300000625
其中
Figure BDA00022503268300000626
表示集合
Figure BDA00022503268300000627
中的用户数，则从已选择用户中剔除垂直方向主模式和水平方向主模式乘积最小的
Figure BDA00022503268300000628
个用户，即
Figure BDA00022503268300000629
最小的
Figure BDA00022503268300000630
个用户，并结束用户调度；否则，进入步骤a6)；
a6)计算
Figure BDA00022503268300000631
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
Figure BDA00022503268300000632
其中，
Figure BDA00022503268300000633
为ΛV,p和ΛV,q最大对角元索引的集合，
Figure BDA00022503268300000634
为ΛH,p和ΛH,q最大对角元索引的集合；
Figure BDA00022503268300000635
和
Figure BDA00022503268300000636
分别为ΛV,p和ΛV,q的第s个对角元，
Figure BDA00022503268300000637
和
Figure BDA00022503268300000638
分别为ΛH,p和ΛH,q的第t个对角元。将用户
Figure BDA00022503268300000639
加入集合
Figure BDA00022503268300000640
并将其从集合
Figure BDA00022503268300000641
中删除，然后进入步骤a7)；
a7)若
Figure BDA0002250326830000071
且集合
Figure BDA0002250326830000072
不为空集，则进入步骤a6)；否则，结束用户调度。
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：
b1)将调度出的用户集合
Figure BDA0002250326830000073
表示为
Figure BDA0002250326830000074
第l个用户组的用户集合记为Sl，第l个用户组中的第一个用户记为cl,l＝1,…,L，并将Sl,l＝1,…,L均初始化为空集；
b2)令i＝1，ci＝u1，Si＝Si∪{ci}，并将u1从用户集合
Figure BDA0002250326830000075
中删除；
b3)在集合
Figure BDA0002250326830000076
中寻找与用户c1,…,ci-1,ci间最小距离最大的用户u，即
Figure BDA0002250326830000077
其中，
Figure BDA0002250326830000078
为用户cg与用户v间的相关距离，1≤g≤i，
Figure BDA0002250326830000079
的计算方法为：
Figure BDA00022503268300000710
其中，定义
Figure BDA00022503268300000711
为所有已调度用户的ΛV,k最大对角元索引的集合，
Figure BDA00022503268300000712
为所有已调度用户的ΛH,k最大对角元索引的集合；
Figure BDA00022503268300000713
和
Figure BDA00022503268300000714
均为列向量，
Figure BDA00022503268300000715
的元素为
Figure BDA00022503268300000716
中索引属于
Figure BDA00022503268300000717
的全部对角元，
Figure BDA00022503268300000718
的元素为
Figure BDA00022503268300000719
中索引属于
Figure BDA00022503268300000720
的全部对角元，
Figure BDA00022503268300000721
的元素为ΛV,v中索引属于
Figure BDA00022503268300000722
的全部对角元，
Figure BDA00022503268300000723
的元素为ΛH,v中索引属于
Figure BDA00022503268300000724
的全部对角元；
b4)令i＝i+1，ci＝u，Si＝Si∪{ci}，并将用户u从集合
Figure BDA00022503268300000725
中删除；
b5)若
Figure BDA00022503268300000726
结束用户分组；否则，进入步骤b6)；
b6)若i＜L，则进入步骤b3)；否则，进入步骤b7)；
b7)对用户
Figure BDA00022503268300000727
逐个计算与其距离最近的用户组，即用户组
Figure BDA00022503268300000728
其中
Figure BDA00022503268300000729
为用户组l与用户v的距离，计算方法为：
Figure BDA00022503268300000730
其中，
Figure BDA00022503268300000731
为用户u和用户v之间的相关距离，其计算方法为
Figure BDA00022503268300000732
其中，
Figure BDA00022503268300000733
和
Figure BDA00022503268300000734
为列向量，
Figure BDA00022503268300000735
的元素为ΛV,u中索引属于
Figure BDA00022503268300000736
的全部对角元，
Figure BDA00022503268300000737
的元素为ΛH,u中索引属于
Figure BDA00022503268300000738
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
Figure BDA00022503268300000739
中下一用户进行计算，直至集合
Figure BDA00022503268300000740
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
Figure BDA0002250326830000081
其中上标(·)C代表共轭，
Figure BDA0002250326830000082
和
Figure BDA0002250326830000083
分别表示用户组l内用户的ΛV,k和ΛH,k矩阵最大对角元索引的集合，
Figure BDA00022503268300000815
为矩阵A删去列索引不属于集合
Figure BDA0002250326830000084
的列后所得的子矩阵；
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
Figure BDA0002250326830000085
为用户组l的信道矩阵，
Figure BDA0002250326830000086
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
Figure BDA0002250326830000087
的第k行为
Figure BDA0002250326830000088
用户组l中的第k个用户内层预编码向量为
Figure BDA0002250326830000089
为矩阵Ql的第k列，令
Figure BDA00022503268300000810
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
Figure BDA00022503268300000811
水平发送相关阵
Figure BDA00022503268300000812
其中
Figure BDA00022503268300000813
为基站与用户k之间的归一化信道矩阵，满足
Figure BDA00022503268300000814
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：
a1)设候选用户集合
Figure BDA0002250326830000091
调度用户集合
Figure BDA0002250326830000092
对任意用户
Figure BDA0002250326830000093
计算
Figure BDA0002250326830000094
以及
Figure BDA0002250326830000095
其中F16和F32分别为16×16和32×32的DFT矩阵，其第m行第n列的元素分别为
Figure BDA0002250326830000096
和
Figure BDA0002250326830000097
e为自然对数，j为虚数单位；
a2)分别找出用户k的垂直方向主模式和水平方向主模式，即ΛV,k和ΛH,k的最大对角元
Figure BDA0002250326830000098
和
Figure BDA0002250326830000099
并找出其相应的索引
Figure BDA00022503268300000910
和
Figure BDA00022503268300000911
即
Figure BDA00022503268300000912
其中，
Figure BDA00022503268300000913
和
Figure BDA00022503268300000914
分别为ΛV,k的第i个对角元和ΛH,k的第j个对角元；
a3)基站根据各用户的
Figure BDA00022503268300000915
和
Figure BDA00022503268300000916
将用户分为
Figure BDA00022503268300000917
类，分类准则为：若
Figure BDA00022503268300000918
且
Figure BDA00022503268300000919
则将用户k归为第
Figure BDA00022503268300000920
类，其中，
Figure BDA00022503268300000921
Figure BDA00022503268300000922
a4)基站分别从每类用户中选择垂直方向主模式和水平方向主模式乘积最大的用户，即
Figure BDA00022503268300000923
最大的用户，将其加入集合
Figure BDA00022503268300000924
并从集合
Figure BDA00022503268300000925
中删除；
a5)若
Figure BDA00022503268300000926
其中
Figure BDA00022503268300000927
表示集合
Figure BDA00022503268300000928
中的用户数，则从已选择用户中剔除垂直方向主模式和水平方向主模式乘积最小的
Figure BDA00022503268300000929
个用户，即
Figure BDA00022503268300000930
最小的
Figure BDA00022503268300000931
个用户，并结束用户调度；否则，进入步骤a6)；
a6)计算
Figure BDA00022503268300000932
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，将用户
Figure BDA00022503268300000933
加入集合
Figure BDA00022503268300000934
并将其从集合
Figure BDA00022503268300000935
中删除，然后进入步骤a7)；
a7)若
Figure BDA00022503268300000936
且集合
Figure BDA00022503268300000937
不为空集，则进入步骤a6)；否则，结束用户调度。
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：
b1)将调度出的用户集合
Figure BDA00022503268300000938
表示为
Figure BDA00022503268300000939
第l个用户组的用户集合记为Sl，第l个用户组中的第一个用户记为cl,l＝1,…,6，并将Sl,l＝1,…,6均初始化为空集；
b2)令i＝1，ci＝u1，Si＝Si∪{ci}，并将u1从用户集合
Figure BDA00022503268300000940
中删除；
b3)在集合
Figure BDA00022503268300000941
中寻找与用户c1,…,ci-1,ci间最小距离最大的用户u，即
Figure BDA0002250326830000101
其中，
Figure BDA0002250326830000102
为用户cg与用户v间的相关距离，1≤g≤i，
Figure BDA0002250326830000103
的计算方法为：
Figure BDA0002250326830000104
其中，定义
Figure BDA0002250326830000105
为所有已调度用户的ΛV,k最大对角元索引的集合，
Figure BDA0002250326830000106
为所有已调度用户的ΛH,k最大对角元索引的集合；
Figure BDA0002250326830000107
和
Figure BDA0002250326830000108
均为列向量，
Figure BDA0002250326830000109
的元素为
Figure BDA00022503268300001010
中索引属于
Figure BDA00022503268300001011
的全部对角元，
Figure BDA00022503268300001012
的元素为
Figure BDA00022503268300001013
中索引属于
Figure BDA00022503268300001014
的全部对角元，
Figure BDA00022503268300001015
的元素为ΛV,v中索引属于
Figure BDA00022503268300001016
的全部对角元，
Figure BDA00022503268300001017
的元素为ΛH,v中索引属于
Figure BDA00022503268300001018
的全部对角元；
b4)令i＝i+1，ci＝u，Si＝Si∪{ci}，并将用户u从集合
Figure BDA00022503268300001019
中删除；
b5)若
Figure BDA00022503268300001020
结束用户分组；否则，进入步骤b6)；
b6)若i＜6，则进入步骤b3)；否则，进入步骤b7)；
b7)对用户
Figure BDA00022503268300001021
逐个计算与其距离最近的用户组，即用户组
Figure BDA00022503268300001022
其中
Figure BDA00022503268300001023
为用户组l与用户v的距离，计算方法为：
Figure BDA00022503268300001024
其中，
Figure BDA00022503268300001025
为用户u和用户v之间的相关距离，其计算方法为
Figure BDA00022503268300001026
其中，
Figure BDA00022503268300001027
和
Figure BDA00022503268300001028
为列向量，
Figure BDA00022503268300001029
的元素为ΛV,u中索引属于
Figure BDA00022503268300001030
的对角元，
Figure BDA00022503268300001031
的元素为ΛH,u中索引属于
Figure BDA00022503268300001032
的对角元。每对一个用户v计算完，则令Sc＝Sc∪{v}，并对集合
Figure BDA00022503268300001033
中下一用户进行计算，直至集合
Figure BDA00022503268300001034
中全部用户分组完毕。
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
Figure BDA00022503268300001035
其中上标(·)C代表共轭，
Figure BDA00022503268300001036
和
Figure BDA00022503268300001037
分别表示用户组l内用户的ΛV,k和ΛH,k矩阵最大对角元索引的集合，
Figure BDA00022503268300001041
为矩阵A删去列索引不属于集合
Figure BDA00022503268300001038
的列后所得的子矩阵；
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
Figure BDA00022503268300001039
为用户组l的信道矩阵，
Figure BDA00022503268300001040
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
Figure BDA0002250326830000111
的第k行为
Figure BDA0002250326830000112
用户组l中的第k个用户内层预编码向量为
Figure BDA0002250326830000113
为矩阵Ql的第k列，令
Figure BDA0002250326830000114
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 (1)

1.基于两层预编码FD-MIMO下行自适应传输方法，其特征在于：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
Figure FDA0002957041270000011
以及水平发送相关阵
Figure FDA0002957041270000012
其中
Figure FDA0002957041270000013
为基站与用户k之间的归一化信道矩阵，满足
Figure FDA0002957041270000014
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：
a1)初始化候选用户集合
Figure FDA0002957041270000015
调度用户集合
Figure FDA0002957041270000016
为空集，对任意用户
Figure FDA0002957041270000017
计算
Figure FDA0002957041270000018
以及
Figure FDA0002957041270000019
其中FM和FN分别为M×M和N×N的DFT矩阵，其第m行第n列的元素分别为
Figure FDA00029570412700000110
和
Figure FDA00029570412700000111
e为自然对数，j为虚数单位；
a2)分别找出用户k的垂直方向主模式和水平方向主模式，即ΛV,k和ΛH,k的最大对角元
Figure FDA00029570412700000112
和
Figure FDA00029570412700000113
并找出其相应的索引
Figure FDA00029570412700000114
和
Figure FDA00029570412700000115
即
Figure FDA00029570412700000116
其中，
Figure FDA00029570412700000117
和
Figure FDA00029570412700000118
分别为ΛV,k的第i个对角元和ΛH,k的第j个对角元；
a3)基站根据各用户的
Figure FDA00029570412700000119
和
Figure FDA00029570412700000120
将用户分为
Figure FDA00029570412700000121
类，分类准则为：若
Figure FDA00029570412700000122
且
Figure FDA00029570412700000123
则将用户k归为第
Figure FDA00029570412700000124
类，其中，
Figure FDA00029570412700000125
Figure FDA00029570412700000126
a4)基站分别从每类用户中选择垂直方向主模式和水平方向主模式乘积最大的用户，即
Figure FDA00029570412700000127
最大的用户，将其加入集合
Figure FDA00029570412700000128
并从集合
Figure FDA00029570412700000129
中删除；
a5)若
Figure FDA00029570412700000130
其中
Figure FDA00029570412700000131
表示集合
Figure FDA00029570412700000132
中的用户数，则从已选择用户中剔除垂直方向主模式和水平方向主模式乘积最小的
Figure FDA00029570412700000133
个用户，即
Figure FDA00029570412700000134
最小的
Figure FDA00029570412700000135
个用户，并结束用户调度；否则，进入步骤a6)；
a6)计算
Figure FDA0002957041270000021
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，将用户
Figure FDA0002957041270000022
加入集合
Figure FDA0002957041270000023
并将其从集合
Figure FDA0002957041270000024
中删除，然后进入步骤a7)；
a7)若
Figure FDA0002957041270000025
且集合
Figure FDA0002957041270000026
不为空集，则进入步骤a6)；否则，结束用户调度；
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：
b1)将调度出的用户集合
Figure FDA0002957041270000027
表示为
Figure FDA0002957041270000028
第l个用户组的用户集合记为
Figure FDA0002957041270000029
第l个用户组中的第一个用户记为cl,l＝1,…,L，并将
Figure FDA00029570412700000210
均初始化为空集；
b2)令i＝1，ci＝u1，
Figure FDA00029570412700000211
并将u1从用户集合
Figure FDA00029570412700000212
中删除；
b3)在集合
Figure FDA00029570412700000213
中寻找与用户c1,…,ci-1,ci间最小距离最大的用户u，即
Figure FDA00029570412700000214
其中，
Figure FDA00029570412700000215
为用户cg与用户v间的相关距离，1≤g≤i，
Figure FDA00029570412700000216
b4)令i＝i+1，ci＝u，
Figure FDA00029570412700000217
并将用户u从集合
Figure FDA00029570412700000218
中删除；
b5)若
Figure FDA00029570412700000219
结束用户分组；否则，进入步骤b6)；
b6)若i＜L，则进入步骤b3)；否则，进入步骤b7)；
b7)对用户
Figure FDA00029570412700000220
逐个计算与其距离最近的用户组，即用户组
Figure FDA00029570412700000221
其中
Figure FDA00029570412700000222
为用户组l与用户v的距离；每对一个用户v计算完，则令
Figure FDA00029570412700000223
并对集合
Figure FDA00029570412700000224
中下一用户进行计算，直至集合
Figure FDA00029570412700000225
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
Figure FDA00029570412700000226
其中上标(·)C代表共轭，
Figure FDA00029570412700000227
和
Figure FDA00029570412700000228
分别表示用户组l内用户的ΛV,k和ΛH,k矩阵最大对角元索引的集合，
Figure FDA00029570412700000229
为矩阵A删去列索引不属于集合
Figure FDA00029570412700000230
的列后所得的子矩阵；
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
Figure FDA0002957041270000031
Figure FDA0002957041270000032
为用户组l的信道矩阵，
Figure FDA0002957041270000033
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
Figure FDA0002957041270000034
的第k行为
Figure FDA0002957041270000035
用户组l中的第k个用户内层预编码向量为
Figure FDA0002957041270000036
Figure FDA0002957041270000037
为矩阵Ql的第k列，令
Figure FDA0002957041270000038
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；
所述的步骤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：
Figure FDA0002957041270000039
其中，
Figure FDA00029570412700000310
为ΛV,p和ΛV,q最大对角元索引的集合，
Figure FDA00029570412700000311
为ΛH,p和ΛH,q最大对角元索引的集合；
Figure FDA00029570412700000312
和
Figure FDA00029570412700000313
分别为ΛV,p和ΛV,q的第s个对角元，
Figure FDA00029570412700000314
和
Figure FDA00029570412700000315
分别为ΛH,p和ΛH,q的第t个对角元；
步骤b3)中，用户cg与用户v间的相关距离的计算方法为：
Figure FDA00029570412700000316
其中，定义
Figure FDA00029570412700000317
为所有已调度用户的ΛV,k最大对角元索引的集合，
Figure FDA00029570412700000318
为所有已调度用户的ΛH,k最大对角元索引的集合；
Figure FDA00029570412700000319
和
Figure FDA00029570412700000320
均为列向量，
Figure FDA00029570412700000321
的元素为
Figure FDA00029570412700000322
中索引属于
Figure FDA00029570412700000323
的全部对角元，
Figure FDA00029570412700000324
的元素为
Figure FDA00029570412700000325
中索引属于
Figure FDA00029570412700000326
的全部对角元，
Figure FDA00029570412700000327
的元素为ΛV,v中索引属于
Figure FDA00029570412700000328
的全部对角元，
Figure FDA00029570412700000329
的元素为ΛH,v中索引属于
Figure FDA00029570412700000330
的全部对角元；
所述的步骤b7)中，用户组l与用户v的距离计算方法为：
Figure FDA00029570412700000331
其中，
Figure FDA00029570412700000332
为用户u和用户v之间的相关距离，其计算方法为
Figure FDA00029570412700000333
其中，
Figure FDA00029570412700000334
和
Figure FDA00029570412700000335
为列向量，
Figure FDA00029570412700000336
的元素为ΛV,u中索引属于
Figure FDA00029570412700000337
的全部对角元，
Figure FDA00029570412700000338
的元素为ΛH,u中索引属于
Figure FDA00029570412700000339
的全部对角元。
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