CN111277313A - 基于二分图的蜂窝车联网大规模mimo波束选择与传输方法 - Google Patents

基于二分图的蜂窝车联网大规模mimo波束选择与传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO波束选择方法，首先依据统计信道信息构建传输二分图，再基于设定的准则选择出满足传输要求的用户和波束方向构成的子二分图，以确定用户波束的选择方案。在此基础上本发明提出了基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO传输方法，首先基站和各V2V‑Tx根据探测信号估计各用户的统计信道信息并发送给中央控制单元进行用户波束选择；接着基站和各V2V‑Tx根据波束选择结果设计各自的统计预编码矩阵，各用户在等效的降维信道上实施信道估计和数据传输。在各用户移动过程中，随着信道统计特性的变化，动态地实施二分图的构建以及用户波束的选择。本发明能够大幅降低系统导频开销，提高蜂窝车联网系统的传输性能。

Description

基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO波束选择与传输方法
技术领域
本发明涉及一种蜂窝车联网大规模MIMO无线通信方法，尤其涉及一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO波束选择与传输方法。
背景技术
先进的车载通信和网络技术在设计无线车联网(V2X)通信中起着基础性的作用。为满足未来V2V通信应用需求，需要深度挖掘利用空间无线资源，大幅提升V2V无线通信的频谱利用率和功率利用率。因此，把大规模MIMO系统引入V2V通信中成为一个非常有潜力的解决方案。在车辆发送端配置大规模天线阵列(数十根以上)，以深度挖掘利用空间维度资源，成为未来V2V无线通信的发展趋势之一。
在实际大规模MIMO系统中，每个蜂窝用户仅配置单根天线或者几根天线，而基站通常配置大量天线，这导致下行链路的信道估计比上行链路更加困难。为了准确及时地获取下行信道信息，采用基于全正交导频辅助的信道估计方法会导致巨大的导频开销。特别在V2V和V2N场景中，由于车辆用户的高速移动，V2V/V2N信道衰落快，信道估计和预编码的设计面临更大的挑战。因此，寻求一种用等效的降维信道取代原始大维信道的方法在V2V无线通信具有一定的优势。在等效降维信道上进行信道估计和数据传输，可以大幅降低系统的导频开销并提高频谱效率。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO波束选择与传输方法，利用二分图方法选择满足传输要求的用户和波束，从而有效降低蜂窝用户和各V2V-Rx的信道维度，达到使用较小的导频维度就可以准确估计大维信道的目的，以节省系统的导频开销，提高频谱效率。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO波束选择方法，适用于FDD或TDD蜂窝车联网大规模MIMO无线通信系统，所述无线通信系统包括多个蜂窝用户和多对V2V通信，每个V2V通信对包含一个发送车辆用户(V2V-Tx)和一个接收车辆用户(V2V-Rx)；所述方法包括如下步骤：
利用基站、蜂窝用户和V2V用户间的统计信道信息，基于设定的信道能量阈值版本构建传输二分图；所述二分图包括波束顶点集合、用户顶点集合和连接波束顶点和用户顶点的边的集合；
通过建立优化问题选择出满足传输要求的用户和波束方向构成的子二分图，确定用户波束的选择方案；所述优化问题建立的准则包括：子二分图上的每个基站波束顶点至少连接一个蜂窝用户，每个V2V-Tx波束顶点必须连接同通信对中的V2V-Rx，每个蜂窝用户至少连接一个基站波束顶点，每个V2V-Rx至少连接同通信对中V2V-Tx的一个波束顶点；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束总数小于等于给定的导频维度；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中期望信道能量之和占信道总能量的大部分；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中干扰信道能量之和占信道总能量的小部分；最大化由选择出的用户和波束构成的有效信道矩阵的秩或者最大化蜂窝用户和V2V-Rx的数目之和；其中基站与蜂窝用户间、同一个通信对中V2V-Tx和V2V-Rx间的信道为期望信道，基站与V2V-Rx间、非同一个通信对中V2V-Tx和V2V-Rx间的信道为干扰信道，信道能量由信道的统计信息给定。
在优选的实施方式中，所建立的优化问题以最大化由选择出的用户和波束构成的有效信道矩阵的秩或最大化蜂窝用户和V2V-Rx的数目之和为目标；约束条件包括每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束总数小于等于给定的导频维度，每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中期望信道能量之和大于等于设定的阈值，以及每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中干扰信道能量之和小于等于设定的阈值；通过混合整数线性规划选择出基站和各V2V-Tx满足传输条件的波束索引以及用户索引。
本发明所述的一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO传输方法，包括如下步骤：
基站和各V2V-Tx根据上行阶段接收到的探测信号估计蜂窝用户和V2V-Rx的统计信道信息；
基站和各V2V-Tx将所述统计信道信息通过回程链路交予中央控制单元，中央控制单元综合利用所有的统计信道信息，根据权利要求1-2任一项所述的波束选择方法实施二分图的构建和子二分图的选择，并将子二分图中基站和各V2V-Tx的波束索引以及用户索引通过回程链路发送给相应的基站和各V2V-Tx；
基站和各V2V-Tx分别实施统计预编码，蜂窝用户和各V2V-Rx在等效的降维信道上实施信道估计和数据传输；
在蜂窝用户和V2V用户移动过程中，随着蜂窝用户和V2V用户的信道统计特性的变化，基站和各V2V-Tx周期性获得更新后的统计信道信息，并将统计信道信息通过回程链路发送给中央控制单元，中央控制单元根据更新后的所有用户的统计信道信息动态地实施二分图的构建、子二分图的选择。
在优选的实施方式中，所述的蜂窝车联网大规模MIMO无线通信系统中基站侧和各V2V-Tx侧天线阵列的各天线单元之间的间距小于载波的波长，当各天线采用全向天线或120度扇区天线或60度扇区天线时，各天线之间的间距为1/2波长或
Figure BDA0002375460140000031
波长或1个波长；每个天线单元采用单极化或多极化天线。
在优选的实施方式中，基站和各V2V-Tx依据中央控制单元返回的用户及波束选择结果，设计各自的统计预编码矩阵；中央控制单元将选择的基站波束的索引返回给基站，基站的预编码矩阵表示为
Figure BDA0002375460140000032
其中
Figure BDA0002375460140000033
表示基站波束的索引集合，
Figure BDA0002375460140000034
表示由M×M的单位矩阵I中位于集合
Figure BDA0002375460140000035
中索引位置处的列向量组成的新矩阵，M为基站天线数目；中央控制单元将选择的各V2V-Tx波束索引返回给各V2V-Tx，第d个V2V-Tx的预编码矩阵表示为
Figure BDA0002375460140000036
其中
Figure BDA0002375460140000037
表示第d个V2V-Tx波束的索引集合，
Figure BDA0002375460140000038
表示由N×N的单位矩阵I中位于集合
Figure BDA0002375460140000039
中索引位置处的列向量组成的新矩阵，N为第d个V2V-Tx的天线数目。
在优选的实施方式中，基站和各V2V-Tx依据中央控制单元返回的波束选择结果，设计各自的统计预编码矩阵，基站通过统计预编码矩阵建立各用户的等效降维信道，各V2V-Tx通过统计预编码矩阵建立各用户的等效降维信道：
Figure BDA00023754601400000310
Figure BDA00023754601400000311
其中
Figure BDA00023754601400000312
表示第l个V2V-Tx的预编码矩阵，
Figure BDA00023754601400000313
和
Figure BDA00023754601400000314
分别表示基站到第k个蜂窝用户、第l个V2V-Tx到第k个蜂窝用户、第l个V2V-Tx到第d个V2V-Rx和基站到第d个V2V-Rx的信道，
Figure BDA00023754601400000315
和
Figure BDA00023754601400000316
分别表示
Figure BDA00023754601400000317
和
Figure BDA00023754601400000318
的等效降维信道；蜂窝用户和各V2V-Tx在等效的降维信道上实施信道估计和数据传输。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、基于二分图建立的优化问题，可以转化混合整数线性规划问题，通过MATLAB高效解决，所提出的二分图方法复杂性低。同时优化问题可以根据具体要求具体建立，二分图方法适用性强。
2、提出的二分图方法适用于FDD和TDD大规模MIMO系统，高效满足传输要求的用户和波束，通过在降维等效信道上进行信道估计和预编码，大幅降低了系统的导频开销，系统净频谱效率得到有效提高。
3、二分图方法所选择的各用户的等效降维信道综合考虑了期望信道和干扰信道，设定的导频维度可以同时估计期望信道和干扰信道，信道估计的准确度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅表明本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他实施例的附图。
图1为本发明实施例的方法流程图。
图2为蜂窝车联网大规模MIMO传输二分图示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开的一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO传输方法，主要包括如下步骤：
(1)基站和各V2V-Tx根据上行阶段接收到的探测信号估计各用户的统计信道信息；
(2)基站和各V2V-Tx将所述统计信道信息通过回程链路交予中央控制单元，中央控制单元综合利用所有的统计信道信息，构建传输二分图，通过建立优化问题选择出满足传输要求的用户和波束方向构成的子二分图，并将子二分图中基站和各V2V-Tx的波束索引以及用户索引通过回程链路发送给相应的基站和各V2V-Tx；
(3)基站和各V2V-Tx分别实施统计预编码，蜂窝用户和各V2V-Rx在等效的降维信道上实施信道估计和数据传输；
(4)在蜂窝用户和V2V用户移动过程中，随着蜂窝用户和V2V用户的信道统计特性的变化，基站和各V2V-Tx周期性获得更新后的统计信道信息，并将统计信道信息通过回程链路发送给中央控制单元，中央控制单元根据更新后的所有用户的统计信道信息动态地实施二分图的构建、子二分图的选择。
其中优化问题建立的准则包括：子二分图上的每个基站波束顶点至少连接一个蜂窝用户，每个V2V-Tx波束顶点必须连接同通信对中的V2V-Rx，每个蜂窝用户至少连接一个基站波束顶点，每个V2V-Rx至少连接同通信对中V2V-Tx的一个波束顶点；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束总数小于等于给定的导频维度；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中期望信道能量之和占信道总能量的大部分；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中干扰信道能量之和占信道总能量的小部分；最大化由选择出的用户和波束构成的有效信道矩阵的秩或者最大化蜂窝用户和V2V-Rx的数目之和。
下面结合具体系统模型对本发明实施例作进一步详细介绍。
1、蜂窝车联网大规模MIMO系统配置及通信过程
在蜂窝车联网大规模MIMO系统模型中，基站位于小区中心，所有的蜂窝用户和V2V通信对分布在该区域上，基站侧和V2V发送端配置包含数十个以上天线单元的天线阵列，大规模天线阵列可以采用线阵列、圆阵列、板阵列或其它阵列结构。各天线单元可采用全向天线或者扇区天线，当各天线单元采用全向天线、120度扇区天线和60度扇区天线时，各天线之间的间距可配置为1/2波长、
Figure BDA0002375460140000051
波长和1个波长。各天线单元可采用单极化或多极化天线。
在此实施例中，设基站侧配备的天线个数为M，V2V-Tx配备的天线个数为N，蜂窝用户个数为K，V2V通信对个数为D。
此种情况下，蜂窝车联网大规模MIMO通信过程包含以下三个步骤：
i.信道探测：基站端和各V2V-Tx根据上行阶段接收到的探测信号估计各用户的统计信道信息。
ii.统计预编码：基站和各V2V-Tx端通过回程链路将所有用户的统计信道信息交予中央控制单元。中央控制单元依据统计信道信息构建传输二分图，选择出一个由所有满足传输要求的用户和波束方向构成的子二分图，并将子二分图中基站和各V2V-Tx的波束索引以及用户索引反馈给基站和各V2V-Tx。接着，基站和各V2V-Tx根据波束选择结果设计各自的统计预编码矩阵。
iii.信道训练：基站通过统计预编码矩阵建立各用户的等效降维信道，蜂窝用户在等效的降维信道上实施信道估计和数据传输；各V2V-Tx通过统计预编码矩阵建立各用户的等效降维信道，各V2V-Rx在等效的降维信道上实施信道估计和数据传输。
2、统计信道信息获取
各用户统计信道信息的获取由上行信道探测过程完成，基站和各V2V-Tx根据上行阶段接收到的探测信号估计各用户的统计信道信息，各用户的探测信号之间相互正交。基站到第k个蜂窝用户的信道统计协方差矩阵信息
Figure BDA0002375460140000061
定义为
Figure BDA0002375460140000062
其中
Figure BDA0002375460140000063
表示期望运算。第l个V2V-Tx到第k个蜂窝用户的信道统计协方差矩阵信息定义为
Figure BDA0002375460140000064
第l个V2V-Tx到第d个V2V-Rx的信道统计协方差矩阵信息定义为
Figure BDA0002375460140000065
基站到第d个V2V-Rx的信道统计协方差矩阵信息定义为
Figure BDA0002375460140000066
同一个V2V通信对d中V2V-Tx到V2V-Rx的信道统计协方差矩阵信息定义为
Figure BDA0002375460140000067
其中
Figure BDA0002375460140000068
Figure BDA0002375460140000069
和
Figure BDA00023754601400000610
分别表示基站到第k个蜂窝用户、第l个V2V-Tx到第k个蜂窝用户、第l个V2V-Tx到第d个V2V-Rx和基站到第d个V2V-Rx的信道，
Figure BDA00023754601400000611
为第d个V2V-Tx到第d个V2V-Rx的信道。
3、基站和各V2V-Tx波束选择
图2为蜂窝车联网大规模MIMO传输二分图示意图，系统中基站和多个V2V-Tx通过回程链路连接到中央控制单元。以该系统模型为例，基站和各V2V-Tx将各用户的统计信道信息通过回程链路交于中央控制单元。中央控制单元综合基站和V2V-Tx到所有用户的统计信道信息，构建传输二分图，选择出一个由满足传输要求的用户和波束方向构成的子二分图，并将子二分图中基站和各V2V-Tx的波束索引以及用户索引反馈给基站和各V2V-Tx。
为降低蜂窝车联网大规模MIMO无线通信系统的导频开销，利用各用户信道的波束域稀疏特征，基于提出的二分图方法，为蜂窝用户和V2V-Rx选择信道能量大的波束方向，同时控制蜂窝用户和V2V-Rx的干扰信道能量，选择出一个由满足传输要求的用户和波束方向构成的子二分图。接着，基站和各V2V-Tx根据波束选择结果设计各自的统计预编码矩阵，建立等效的降维信道。在信道训练阶段，各用户在等效的降维信道上实施信道估计和数据传输。导频矩阵的维度远远小于基站和V2V-Tx端配置的大规模天线数目。
设小区中存在D个单天线V2V-Rx和K个单天线蜂窝用户，Tdl为导频维度，σx为发送导频信号的功率，σz为噪声功率，I为单位阵。定义蜂窝用户信道估计均方误差之和εb和V2V用户信道估计均方误差之和εv表达式分别如下：
Figure BDA0002375460140000071
Figure BDA0002375460140000072
其中
Figure BDA0002375460140000073
Figure BDA0002375460140000074
上式中
Figure BDA0002375460140000075
和
Figure BDA0002375460140000076
分别表示等效降维信道
Figure BDA0002375460140000077
和
Figure BDA0002375460140000078
的信道统计协方差矩阵，tr表示求矩阵的迹。
当基站端和各V2V-Tx端的天线趋于无穷大时，利用波束域信道稀疏特性，信道协方差矩阵可以用其特征值向量取代，即
Figure BDA0002375460140000079
和
Figure BDA00023754601400000710
分别为信道协方差矩阵
Figure BDA00023754601400000711
和
Figure BDA00023754601400000712
的特征值列矢量。用
Figure BDA00023754601400000713
Figure BDA00023754601400000714
Figure BDA00023754601400000715
表征所有用户的统计信道信息。记
Figure BDA00023754601400000716
其中
Figure BDA00023754601400000717
Figure BDA00023754601400000718
中元素相互独立且均满足均值为0方差为1的复高斯分布。
Figure BDA00023754601400000719
⊙表示两个同维矩阵的哈达玛积，即
Figure BDA00023754601400000720
记Abc、Abv、Avv和Avc分别表示Hbc、Hbv、Hvv和Hvc的阈值版本，即当H中的元素大于某个很小的正数时，A中对应位置的元素为1，否则为0。中央控制单元根据邻接矩阵
Figure BDA00023754601400000721
构建传输二分图
Figure BDA00023754601400000722
其中
Figure BDA00023754601400000723
和
Figure BDA00023754601400000724
分别表示波束顶点集合、用户顶点集合和连接波束顶点与用户顶点的边集合，当A中以波束顶点为行索引，用户顶点为列索引，对应位置处的元素为1时，该波束顶点与用户顶点相连。为了选出由所有满足传输条件的用户和波束构成的子二分图
Figure BDA0002375460140000081
设立以下5个准则：
(1)子二分图上的每个基站波束顶点至少连接一个蜂窝用户，每个V2V-Tx波束顶点必须连接同通信对中的V2V-Rx，每个蜂窝用户至少连接一个基站波束顶点，每个V2V-Rx至少连接同通信对中V2V-Tx的一个波束顶点，即
Figure BDA0002375460140000082
Figure BDA0002375460140000083
(2)每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束总数小于等于给定的导频维度，即
Figure BDA0002375460140000084
(3)每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中期望信道能量之和占信道总能量的大部分，即
Figure BDA0002375460140000085
(4)每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中干扰信道能量之和占信道总能量的小部分，即
Figure BDA0002375460140000086
(5)由选择的用户和波束组成的有效信道矩阵的秩最大，即
Figure BDA0002375460140000087
最大；或者选择的蜂窝用户和V2V-Rx的数目之和最大，即
Figure BDA0002375460140000088
最大。
其中
Figure BDA0002375460140000089
表示子二分图中用户顶点u所连接的干扰信道边的集合，
Figure BDA00023754601400000810
表示子二分图中用户顶点u所连接的期望信道边的集合，
Figure BDA00023754601400000811
表示子二分图中用户顶点u所连接的期望信道的边数，
Figure BDA00023754601400000812
表示子二分图中波束顶点a所连接的期望用户边的集合，
Figure BDA00023754601400000813
表示子二分图中波束顶点a所连接的期望用户的边数，
Figure BDA00023754601400000814
表示子二分图中用户顶点u所连接的总边数(包括期望信道和干扰信道)，
Figure BDA00023754601400000815
表示子二分图中由波束顶点a和用户顶点u连接的干扰信道边的集合，
Figure BDA00023754601400000816
表示子二分图中由波束顶点a和用户顶点u连接的期望信道边的集合，wa,u表示连接波束顶点a和用户顶点u的边的权重，其值等于该边对应信道的特征值，Pe和Pi分别用来指代信道总能量的绝大部分(如占信道总能量的70％以上)和小部分(如占信道总能量的30％以下)，
Figure BDA00023754601400000817
表示由子二分图中波束顶点集合
Figure BDA00023754601400000818
和用户顶点集合
Figure BDA00023754601400000819
组成的新信道响应矩阵
Figure BDA00023754601400000820
的秩，在原始信道响应矩阵G中，以集合
Figure BDA00023754601400000821
中波束顶点为行索引，集合
Figure BDA0002375460140000091
中用户顶点为列索引，对应位置处的元素组成的新矩阵，称为
Figure BDA0002375460140000092
基站与蜂窝用户间、同一个通信对中V2V-Tx和V2V-Rx间的信道为期望信道，基站与V2V-Rx间、非同一个通信对中V2V-Tx和V2V-Rx间的信道为干扰信道，信道能量由信道的统计信息给定，信道能量值为信道对应的特征值。基于以上准则，建立优化问题如下：
Figure BDA0002375460140000093
其中
Figure BDA0002375460140000094
表示子二分图的匹配基数，
Figure BDA0002375460140000095
的秩最大等价于选择出的子二分图的匹配基数最大。优化目标为最大化选择的蜂窝用户和V2V-Rx的数目之和时，表示为
Figure BDA0002375460140000096
将上述优化问题转化为混合整数线性规划问题，通过MATLAB求解得到基站满足传输要求的波束索引集合为
Figure BDA0002375460140000097
第d个V2V-Tx满足传输要求的波束索引集合为
Figure BDA0002375460140000098
满足传输要求的用户集合为
Figure BDA0002375460140000099
4、基站和V2V-Tx的统计预编码设计
基站和各V2V-Tx根据波束选择结果设计各自的统计预编码矩阵，建立等效的降维信道。基站和各V2V-Tx依据中央控制单元返回的用户及波束选择结果，设计各自的统计预编码矩阵；中央控制单元将选择的基站波束的索引返回给基站，基站的预编码矩阵表示为
Figure BDA00023754601400000910
其中
Figure BDA00023754601400000911
表示基站波束的索引集合，
Figure BDA00023754601400000912
表示由单位矩阵I(维度等于基站天线数目)中位于集合
Figure BDA00023754601400000913
中索引位置处的列向量组成的新矩阵；中央控制单元将选择的各V2V-Tx波束索引返回给各V2V-Tx，第d个V2V-Tx的预编码矩阵表示为
Figure BDA00023754601400000914
其中
Figure BDA00023754601400000915
表示第d个V2V-Tx波束的索引集合，
Figure BDA00023754601400000916
表示由单位矩阵I(维度等于第d个V2V-Tx天线数目)中位于集合
Figure BDA00023754601400000917
中索引位置处的列向量组成的新矩阵。
5、信道训练估计信道参数
由4中获得基站和各V2V-Tx的统计预编码矩阵，所以第k个蜂窝用户期望信道的等效降维信道为
Figure BDA0002375460140000101
来自第l个V2V-Tx干扰信道的等效降维信道为
Figure BDA0002375460140000102
第d个V2V-Rx期望信道的等效降维信道为
Figure BDA0002375460140000103
来自第l个V2V-Tx的干扰信道的等效降维信道为
Figure BDA0002375460140000104
来自基站的干扰信道的等效降维矩阵为
Figure BDA0002375460140000105
蜂窝用户和各V2V-Rx在等效的降维信道上实施正交导频信道估计，则第k个蜂窝用户和第d个V2V-Rx接收到的导频信号分别表示为：
Figure BDA0002375460140000106
Figure BDA0002375460140000107
其中
Figure BDA0002375460140000108
为Tdl维正交导频，Ψc为基站发送的导频矩阵，
Figure BDA0002375460140000109
为第d个V2V-Tx发送的导频矩阵(1≤d≤D)，
Figure BDA00023754601400001010
和
Figure BDA00023754601400001011
为加性高斯白噪声矩阵，则
Figure BDA00023754601400001012
和
Figure BDA00023754601400001013
的最小均方误差(MMSE)的表达式分别为
Figure BDA00023754601400001014
Figure BDA00023754601400001015
信道估计性能的评估可以通过定义蜂窝用户信道估计均方误差之和εb和V2V用户信道估计均方误差之和εv表达式完成，表达式分别如公式(1)和(2)所示。
在数据传输阶段，基站和各V2V-Tx在等效的降维信道上向蜂窝用户和各V2V-Rx同时发送数据信号，数据传输可以基于各用户的信道参数估计值及估计误差的统计信息，实施鲁棒预编码。
6、基站和V2V-Tx统计预编码的动态调整
在蜂窝用户和V2V通信对用户移动过程中，随着各用户信道的长时统计特性
Figure BDA00023754601400001016
和
Figure BDA00023754601400001017
的变化，基站侧和各V2V-Tx周期性获得更新后的统计信道信息，并将统计信道信息通过回程链路发送给中央控制单元。中央控制单元根据更新后的所有用户统计信道信息动态实施3中所述二分图的构建和子二分图的选择，并将索引结果发送给基站和各V2V-Tx，设计更新后的统计预编码矩阵，并进而实施1中所述的二分图传输方法。长时统计特性的变化与具体的应用场景有关，其典型统计时间窗是短时传输时间窗的数倍或数十倍，相关的信道统计信息的获取也在较大的时间宽度上进行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO波束选择方法，适用于FDD或TDD蜂窝车联网大规模MIMO无线通信系统，所述无线通信系统包括多个蜂窝用户和多对V2V通信，每个V2V通信对包含一个发送车辆用户(V2V-Tx)和一个接收车辆用户(V2V-Rx)，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
利用基站、蜂窝用户和V2V用户间的统计信道信息，基于设定的信道能量阈值版本构建传输二分图；所述二分图包括波束顶点集合、用户顶点集合和连接波束顶点和用户顶点的边的集合；
通过建立优化问题选择出满足传输要求的用户和波束方向构成的子二分图，确定用户波束的选择方案；所述优化问题建立的准则包括：子二分图上的每个基站波束顶点至少连接一个蜂窝用户，每个V2V-Tx波束顶点必须连接同通信对中的V2V-Rx，每个蜂窝用户至少连接一个基站波束顶点，每个V2V-Rx至少连接同通信对中V2V-Tx的一个波束顶点；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束总数小于等于给定的导频维度；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中期望信道能量之和占信道总能量的大部分；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中干扰信道能量之和占信道总能量的小部分；最大化由选择出的用户和波束构成的有效信道矩阵的秩或者最大化蜂窝用户和V2V-Rx的数目之和；其中基站与蜂窝用户间、同一个通信对中V2V-Tx和V2V-Rx间的信道为期望信道，基站与V2V-Rx间、非同一个通信对中V2V-Tx和V2V-Rx间的信道为干扰信道，信道能量由信道的统计信息给定。
2.根据权利要求1所述的一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO波束选择方法，其特征在于：所建立的优化问题以最大化由选择出的用户和波束构成的有效信道矩阵的秩或最大化蜂窝用户和V2V-Rx的数目之和为目标；约束条件包括每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束总数小于等于给定的导频维度，每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中期望信道能量之和大于等于设定的阈值，以及每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中干扰信道能量之和小于等于设定的阈值；通过混合整数线性规划选择出基站和各V2V-Tx满足传输条件的波束索引以及用户索引。
3.一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO传输方法，所述方法适用于FDD或TDD蜂窝车联网大规模MIMO无线通信系统，所述无线通信系统包括多个蜂窝用户和多对V2V通信对，每个V2V通信对包含一个发送车辆用户(V2V-Tx)和一个接收车辆用户(V2V-Rx)；其特征在于：所述方法包括如下步骤：
基站和各V2V-Tx根据上行阶段接收到的探测信号估计蜂窝用户和V2V-Rx的统计信道信息；
基站和各V2V-Tx将所述统计信道信息通过回程链路交予中央控制单元，中央控制单元综合利用所有的统计信道信息，根据权利要求1-2任一项所述的波束选择方法实施二分图的构建和子二分图的选择，并将子二分图中基站和各V2V-Tx的波束索引以及用户索引通过回程链路发送给相应的基站和各V2V-Tx；
基站和各V2V-Tx分别实施统计预编码，蜂窝用户和各V2V-Rx在等效的降维信道上实施信道估计和数据传输；
在蜂窝用户和V2V用户移动过程中，随着蜂窝用户和V2V用户的信道统计特性的变化，基站和各V2V-Tx周期性获得更新后的统计信道信息，并将统计信道信息通过回程链路发送给中央控制单元，中央控制单元根据更新后的所有用户的统计信道信息动态地实施二分图的构建、子二分图的选择。
4.根据权利要求3所述的一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO传输方法，其特征在于：所述的蜂窝车联网大规模MIMO无线通信系统中基站侧和各V2V-Tx侧天线阵列的各天线单元之间的间距小于载波的波长，当各天线采用全向天线或120度扇区天线或60度扇区天线时，各天线之间的间距为1/2波长或
Figure FDA00023754601300000210
波长或1个波长；每个天线单元采用单极化或多极化天线。
5.根据权利要求3所述的一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO传输方法，其特征在于：基站和各V2V-Tx依据中央控制单元返回的用户及波束选择结果，设计各自的统计预编码矩阵；中央控制单元将选择的基站波束的索引返回给基站，基站的预编码矩阵表示为
Figure FDA0002375460130000021
其中
Figure FDA0002375460130000022
表示基站波束的索引集合，
Figure FDA0002375460130000023
表示由M×M的单位矩阵I中位于集合
Figure FDA0002375460130000024
中索引位置处的列向量组成的新矩阵，M为基站天线数目；中央控制单元将选择的各V2V-Tx波束索引返回给各V2V-Tx，第d个V2V-Tx的预编码矩阵表示为
Figure FDA0002375460130000025
其中
Figure FDA0002375460130000026
表示第d个V2V-Tx波束的索引集合，
Figure FDA0002375460130000027
表示由N×N的单位矩阵I中位于集合
Figure FDA0002375460130000028
中索引位置处的列向量组成的新矩阵，N为第d个V2V-Tx的天线数目。
6.根据权利要求5所述的一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO传输方法，其特征在于：基站和各V2V-Tx依据中央控制单元返回的波束选择结果，设计各自的统计预编码矩阵，基站通过统计预编码矩阵建立各用户的等效降维信道，各V2V-Tx通过统计预编码矩阵建立各用户的等效降维信道：
Figure FDA0002375460130000029
Figure FDA0002375460130000031
其中
Figure FDA0002375460130000032
表示第l个V2V-Tx的预编码矩阵，
Figure FDA0002375460130000033
和
Figure FDA0002375460130000034
分别表示基站到第k个蜂窝用户、第l个V2V-Tx到第k个蜂窝用户、第l个V2V-Tx到第d个V2V-Rx和基站到第d个V2V-Rx的信道，
Figure FDA0002375460130000035
和
Figure FDA0002375460130000036
分别表示
Figure FDA0002375460130000037
和
Figure FDA0002375460130000038
的等效降维信道；蜂窝用户和各V2V-Tx在等效的降维信道上实施信道估计和数据传输。
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