CN111490815A - 一种面向5g c-ran的多用户混合波束成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向5G C‑RAN的多用户混合波束成形方法，先通过一系列的波长间隔固定的光载波映射生成一个预设计的光波长矩阵，再由光波长矩阵引入光学真时延后，形成一个时延矩阵，将其定义为光学真时延池(OTTDP)；最后基于该OTTDP，实现基于光真时延池的多用户混合波束成形，并且该混合波束成形方案可以在射频链路数大于用户数时，利用全部的射频链路，进而提升系统的频谱效率。

Description

一种面向5G C-RAN的多用户混合波束成形方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种面向5G C-RAN的多用户混合波束成形方法。

背景技术

移动通信是信息社会中最重要的基础设施之一，随着“宽带中国”战略方案的实施，宽带成为国家战略性公共基础设施，加快5G的相关研究和商用对驱动经济转型升级至关重要。5G中新兴的新服务需要大的带宽。因此，提高频谱效率是5G及下一代移动通信的基本要求。

毫米波通信和大规模多输入输出(MIMO)技术作为5G的关键技术，在提高5G系统各项性能指标上潜力巨大。两类传统的MIMO波束成形实现形式为模拟以及数字波束成形技术。模拟波束成形技术更具成本优势，但无法产生复杂的波束图案；数字预编码技术可以提供充分的灵活性，但系统功耗与复杂度很大。而混合波束成形考虑了射频链路的开销和功耗，将传统的全数字预编码拆分为数字与模拟预编码两部分，通过这种拆分处理，系统所需要的射频链路数会大大降低，混合波束成形能在系统性能和实现复杂的上取得较好的平衡。

然而，因为混合波束成形中的模拟预编码主要依靠射频链路和相移器实现，基于电子器件的波束成形方案，会带来“波束偏斜”以及“电子瓶颈”等问题。光束形成器仅依靠相移或真实时间延迟(TTD)元件的集成光子网络。光波束成形具有大带宽、低损耗、无“波束偏斜”等优势，且可以有效克服传统电子器件的“电子瓶颈”等问题。

5G C-RAN系统中将采用基于eCPRI接口的移动前传。协议中建议波束成形的权重控制单元部署在有源天线单元(AAU)，同时波束成形的计算以及权重控制单元部署在集中/分布单元(CU/DU)。这会在大量部署时增加成本，而且也会浪费有限的前传带宽资源。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向5G C-RAN的多用户混合波束成形方法，将整个系统的计算单元和控制单元全都部署在CU/DU端，可以降低AUU的复杂度和成本，适应5G C-RAN中AAU超密集部署的需求。

为实现上述发明目的，本发明一种面向5G C-RAN的多用户混合波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、给具有N_s个数据流的多用户全连接结构的混合预编码系统的发射端配置M_t根天线和N_t ^RF条射频链路，其接收端配备N_r ^RF条射频链路和M_r根天线；多用户全连接结构的混合预编码系统服务于Nu个用户，每个用户接收到

个数据流，具体满足关系为：N_s≤N_t ^RF≤M_t，

(2)、利用多波长激光源(MLS)产生波长间隔为Δλ的m个均匀间隔光载波，再将这m个均匀波长间隔的光载波表示成一个1×m的光载波向量：p_s＝{λ₁,λ₂,…,λ_m}，λ_m为第m个光载波的波长；

(3)、将光载波向量p_s映射成一个M_t×K的光波长矩阵W_λ，映射规则满足以下约束条件：

min m

λ_u,j≠λ_t,q，u≠t,j≠q

λ_u,v-λ_t,v＝(u-t)vΔλ

其中，λ_u,v表示W_λ中第u行第v列的元素，且W_λ的每一列代表一个波束模式，即第v个模式中的元素形成一个等差为v倍Δλ的等差数列，u,t＝1,2…,M_t，v,j,q＝1,2,…,K；

(4)、将波长矩阵W_λ引入光真时延迟得到光码本矩阵

在波长矩阵W_λ中，不同波长的光载波通过单模色散光纤会引入不同的时延，而不同的时延会导致不同的相移值，其具体关系如下：

Δτ_u,t＝(λ_u-λ_t)DL

其中，D和L分别表示的是单模光纤的色散系数和长度，Δτ_u,t表示第u根天线和第t根天线之间由不同光载波所引入的时延差，

表示第u根天线和第t根天线之间相位差；

根据上述关系，将波长矩阵W_λ引入光真时延迟生成一个M_t×K的光码本

为：

其中，K表示码本一共拥有的模式数目，用ID给每个模式编号，码本当中的每个元素

为选取第v个模式的时为第n个天线引入的相移值，n＝1,2,…,M_t，v＝1,2,…,K；

(5)、根据

计算出模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵；

(5.1)、根据每个用户的信道矩阵计算出总的信道矩阵

其中，上角标T表示的是转置符号；

(5.2)、计算出Mt×Nu维的最优全数字破零矩阵V_opt：

V_opt＝H^H(HH^H)^-1＝[v₁,...,v_i,...,v_Nu]

其中，v_i代表V_opt的第i列元素，上角标H表示的是共轭转置符号；

(5.3)、基于光码本矩阵

对V_opt进行分解；

其中，w_i表示

矩阵的第i列元素，x_v,i表示w_v与v_i的内积，v∈[1,K]；

(5.4)、构建1×K维的向量

其中，h_v为第v个码字与V_opt的所有列的内积之和；

(5.5)、从向量h的K个元素中选取出最大的N_t ^RF个，再由这N_t ^RF个元素对应的ID选出光码本矩阵

中所对应的N_t ^RF列，将光码本矩阵

中这些对应的N_t ^RF列组成模拟预编码矩阵F_RF：

其中，

表示第N_t ^RF列元素；

(5.6)、计算每个用户的等效信道矩阵H_ek，再将多个用户的等效信道矩阵拼成一个总的等效信道矩阵H_e

H_ek＝H_kF_RF，

(5.7)、使用破零算法对不同用户间的干扰进行抑制消除，得到破零矩阵F^ZF为：F^ZF＝H_e ^H(H_eH_e ^H)^-1

(5.8)、在总功率约束得条件下对用户进行功率分配，功率分配矩阵P为：

P＝diag(p₁,p₂,…,p_k,...,p_Nu)

其中，p₁～p_Nu表示每个用户所分配得到得功率，总功率约束满足

ρ是一个常量；

(5.9)、计算数字预编码矩阵F_BB＝F^ZFP^1/2；

(6)、根据数字预编码矩阵F_BB对Ns个数据流进行数字预编码处理，实现对不同接受用户间的干扰消除和功率分配；

(7)、根据模拟预编码矩阵F_RF对N_t ^RF条射频链路进行模拟预编码处理；

(7.1)、分离光载波，将步骤(2)中由多波长激光器产生的光载波分为N_t ^RF份，每一份都有m个均匀间隔光载波；

(7.2)、利用可调谐滤波器对

中选出的N_t ^RF列光载波进行滤波处理，每一列选出这列所对应的M_t个光载波；

(7.3)、在每一条射频链路上利用电光调制器将待发射的射频信号调制到由可调谐滤波器所选出的M_t个光载波上；

(7.4)、引入多路复用器，将调制后的光载波耦合注入到L-km的单模光纤前传链路中；

(7.5)、在有源天线单元端利用一个1×m无源解复用器对光载波进行分离，m个输出通道与向量p_s中的m个光载波匹配，m个输出通道与天线阵列之间的链接关系通过一个m×M_t的矩阵M_IC来描述；

(7.6)、映射到某一根天线上的N_t ^RF个光载波先经过光电探测器，将光信号转化为电信号，最后再通过射频加法器将射频信号引入天线，完成模拟预编码；

(8)、多用户的混合波束成形完成后，发射端的发送的信号通过不同的无线信道H_k传输，被Nu个用户分别接收。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种面向5G C-RAN的多用户混合波束成形方法，先通过一系列的波长间隔固定的光载波映射生成一个预设计的光波长矩阵，再由光波长矩阵引入光学真时延后，形成一个时延矩阵，将其定义为光学真时延池(OTTDP)；最后基于该OTTDP，实现基于光真时延池的多用户混合波束成形，并且该混合波束成形方案可以在射频链路数大于用户数时，利用全部的射频链路，进而提升系统的频谱效率。

同时，本发明一种面向5G C-RAN的多用户混合波束成形方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明将处理控制单元和计算单元全部放在了CU/DU端，在基于eCPRI协议的5G C-RAN系统中，AAU使用无源器件DeMuxer代替有源可调谐光滤波器，降低了AAU的复杂度；当AAU需要大量部署时，可以有些节约混合波束成形的部署成本。

(2)、本发明基于光学真时延池实现了光波束成形，传统的混合波束成形系统使用电移相器来实现的，高精度的电移相器价格昂贵，基于电子器件的波束成形方案，会带来“波束偏斜”以及“电子瓶颈”等问题，而光波束成形具有大带宽、低损耗、无“波束偏斜”等优势，可以有效克服传统电子器件的“电子瓶颈”等问题。

(3)、本发明的基于光码本分解的多用户混合预编码方法，不同与已有方案中为每个用户分配一个射频链路的预编码设计；本发明的多用户混合预编码方案可，当系统的射频链路数大于用户数时，可以利用全部的射频链路，进而提升总的频谱速率。

附图说明

图1是本发明一种面向5G C-RAN的多用户混合波束成形方法的实施流程图；

图2是本发明一种面向5G C-RAN的多用户混合波束成形方法的系统结构原理图；

图3是5G C-RAN系统的结构图；

图4是9×10波长矩阵W_λ的实例；

图5是不同的多用户预编码方案的每个用户的平均频谱速率R随SNR(ρ/σ²)的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种面向5G C-RAN的多用户混合波束成形方法的实施流程图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种面向5G C-RAN的多用户混合波束成形方法，包括以下步骤：

S1、混合预编码系统配置

给具有N_s个数据流的多用户全连接结构的混合预编码系统的发射端配置M_t根天线和N_t ^RF条射频链路，其接收端配备N_r ^RF条射频链路和M_r根天线；多用户全连接结构的混合预编码系统服务于Nu个用户，每个用户接收到

个数据流，具体满足关系为：N_s≤N_t ^RF≤M_t，

如图2所示，在本实施例中，给多用户全连接结构的混合波束成形系统的发射端配置9根天线和3条射频链路，用户接收端配备1条射频(RF)链路和1根天线，此多用户混合预编码系统可以同时支持发送2个数据流和服务于2个用户，每个用户接收到的数据流为1个

S2、获取光载波向量

利用多波长激光源(MLS)产生波长间隔为Δλ＝100GHz(即0.8nm)的m个均匀间隔光载波，中心波长为1550nm，再将这m个均匀波长间隔的光载波表示成一个1×m的光载波向量：p_s＝{λ₁,λ₂,…,λ_m}，λ_m为第m个光载波的波长；

S3、获取光波长矩阵

将光载波向量p_s映射成一个M_t×K的光波长矩阵W_λ，映射规则满足以下约束条件：

min m

λ_u,j≠λ_t,q，u≠t,j≠q

λ_u,v-λ_t,v＝(u-t)vΔλ

其中，λ_u,v表示W_λ中第u行第v列的元素，且W_λ的每一列代表一个波束模式，即第v个模式中的元素形成一个等差为v倍Δλ的等差数列，u,t＝1,2…,M_t，v,j,q＝1,2,…,K；

S4、将波长矩阵W_λ引入光真时延迟得到光码本矩阵

在波长矩阵W_λ中，如图3所示，不同波长的光载波通过单模色散光纤会引入不同的时延，而不同的时延会导致不同的相移值，其具体关系如下：

Δτ_u,t＝(λ_u-λ_t)DL

其中，D和L分别表示的是单模光纤的色散系数和长度，Δτ_u,t表示第u根天线和第t根天线之间由不同光载波所引入的时延差，

表示第u根天线和第t根天线之间相位差；

在本实施例中单模光纤选取G.654光纤，色散系数D＝17ps/(nm*km)，长度L为10km，则可以计算出相邻光载波经过光线前传链路后所引入的延时差为：

Δτ＝ΔλDL＝0.8nm*17ps/(nm*km)*10km＝0.136ns

根据上述关系，将波长矩阵W_λ引入光真时延迟生成一个9×10的光码本

为：

其中，K表示码本一共拥有的模式数目，用ID给每个模式编号，码本当中的每个元素

为选取第v个模式的时为第n个天线引入的相移值，n＝1,2,…,9，v＝1,2,…,10；

S5、根据

计算出模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵；

S5.1、根据每个用户的信道矩阵计算出总的信道矩阵

其中，上角标T表示的是转置符号；

S5.2、计算出9×2维的最优全数字破零矩阵V_opt：

V_opt＝H^H(HH^H)^-1＝[v₁,,v₂]

其中，上角标H表示的是共轭转置符号；

S5.3、基于光码本矩阵

对V_opt进行分解；

其中，w_i表示

矩阵的第i列元素，x_v,i表示w_v与v_i的内积；

S5.4、构建1×10维的向量

其中，h_v为第v个码字与V_opt的所有列的内积之和；

S5.5、从向量h的K个元素中选取出最大的3个，再由这3个元素对应的ID选出光码本矩阵

中所对应的3列，将光码本矩阵

中这些对应的3列组成模拟预编码矩阵F_RF：

F_RF＝[w_e1,w_e2,w_e3]

S5.6、计算每个用户的等效信道矩阵H_ek，再将多个用户的等效信道矩阵拼成一个总的等效信道矩阵H_e

H_ek＝H_kF_RF，

S5.7、使用破零算法对不同用户间的干扰进行抑制消除，得到破零矩阵F^ZF为：F^ZF＝H_e ^H(H_eH_e ^H)^-1

S5.8、在总功率约束得条件下对用户进行功率分配，功率分配矩阵P为：

P＝diag(p₁,p₂)

其中，p₁～p₂表示每个用户所分配得到得功率，总功率约束满足

ρ是一个常量，表示总功率；通过注水算法可以求得p_k为：

其中，q_k为(F_RFF^ZF)^TF_RFF^ZF的第k个对角元素；λ为注水线，是使上式满足功率约束的一个常量，σ为噪声方差。

S5.9、计算数字预编码矩阵F_BB＝F^ZFP^1/2；

S6、根据数字预编码矩阵F_BB对2个数据流进行数字预编码处理，实现对不同接受用户间的干扰消除和功率分配；

S7、根据模拟预编码矩阵F_RF对3条射频链路进行模拟预编码处理；

S7.1、分离光载波，将步骤S2中由多波长激光器产生的光载波分为3份，每一份都有m个均匀间隔光载波；

S7.2、利用可调谐滤波器对

中选出的3列光载波进行滤波处理，每一列选出这列所对应的9个光载波；

S7.3、在每一条射频链路上利用电光调制器将待发射的射频信号调制到由可调谐滤波器所选出的9个光载波上；

S7.4、引入多路复用器，将调制后的光载波耦合注入到10-km的单模光纤前传链路中；

S7.5、在有源天线单元端利用一个1×m无源解复用器对光载波进行分离，m个输出通道与向量p_s中的m个光载波匹配，m个输出通道与天线阵列之间的链接关系通过一个m×9的矩阵M_IC来描述；

S7.6、映射到某一根天线上的3个光载波先经过光电探测器，将光信号转化为电信号，最后再通过射频加法器将射频信号引入天线，完成模拟预编码；

S8、多用户的混合波束成形完成后，发射端的发送的信号通过不同的无线信道H_k传输，被2个用户分别接收。

实例仿真

在本实施例中，设置发射端天线阵列为3×3的二维天线阵，即M_t＝9，发射端配备射频链路数N_t ^RF＝3，数据流N_s＝2，用户数Nu＝2，每个用户配备天线数和射频链路数分别为M_r＝1和N_r ^RF＝1。

在本实施例中，对系统进行了数学建模仿真，仿真结果说明了不同预编码方法的总频谱效率R和SNR，即ρ/σ²之间的关系，以及我们所提方案可以利用多余射频链路的优势，具体过程为：

考虑一个二维天线阵，发射端到每个用户的信道是相互独立的，使用常用的簇聚信道模型，所以每个用户的信道为

通过设置N_cl＝6，来建模毫米波无线信道H_k，其中，N_cl表示散射路径，β_i表示第i条路径的路径增益，a_R和

分别表示发送和接收天线的阵列响应，

表示发射天线的水平离开角和仰俯离开角，φ_iθ_i表示接收天线的水平到达开角和仰俯到达角。

此外，一个9×10波长矩阵W_λ的实例可以如图4所示，实现这个波长矩阵需要m＝165个均匀光载波；

考虑不同用户间的存在干扰，所以每个用户的速率公式可以建模如下

其中，

I_Ns为Ns维的单位矩阵。

在本实施例中用户接收天线数为1，此时W_RF和W_BB不再为矩阵，都为一个数，所以当每个用户接收端可以完美解码时，其的速率公式可以简化为：

由上述频谱速率公式可知，频谱速率最大化问题可以转化为寻找近似最优的模拟预编码矩阵F_RF和数字预编码矩阵F_BB。

如图5所示，不同预编码方法的每个用户的平均频谱速率R随SNR(ρ/σ²)的变化曲线，其中最优全数字破零方法求得的R曲线用空三角表示，一种经典的两阶段多用户混合波束成形方案的R曲线由方块线表示，提出的基于9×10的光码本分解的多用户混合预编码方案的R曲线用实心三角表示；

由图5可知，当射频链路数大于用户数时，基于光真时延迟的多用户混合预编码方案可以利用上多余的射频链路，在总体性能即频谱速率方面要优于经典的两阶段多用户混合波束成形方案，尤其是当SNR大于-5dB后，频谱速率差距逐渐加大。

综上，基于光码本分解方法的多用户混合波束成形方案的物理实现是基于部署在5G毫米波C-RAN系统的CU/DU中的W_λ，这种部署方案不但可以省去一些电子器件，而且将多用户混合波束成形算法的计算和控制都放在了CU/DU端，降低了AAU的复杂度，在AAU需要大量部署的5G C-RAN系统中可以节约部署成本。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种面向5G C-RAN的多用户混合波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、给具有N_s个数据流的多用户全连接结构的混合预编码系统的发射端配置M_t根天线和N_t ^RF条射频链路，其接收端配备N_r ^RF条射频链路和M_r根天线；多用户全连接结构的混合预编码系统服务于Nu个用户，每个用户接收到

个数据流，具体满足关系为：N_s≤N_t ^RF≤M_t，

(2)、利用多波长激光源(MLS)产生波长间隔为Δλ的m个均匀间隔光载波，再将这m个均匀波长间隔的光载波表示成一个1×m的光载波向量：p_s＝{λ₁,λ₂,…,λ_m}，λ_m为第m个光载波的波波长；

(3)、将光载波向量p_s映射成一个M_t×K的光波长矩阵W_λ，映射规则满足以下约束条件：

min m

λ_u,j≠λ_t,q，u≠t,j≠q

λ_u,v-λ_t,v＝(u-t)vΔλ

其中，λ_u,v表示W_λ中第u行第v列的元素，且W_λ的每一列代表一个波束模式，即第v个模式中的元素形成一个等差为v倍Δλ的等差数列，u,t＝1,2…,M_t，v,j,q＝1,2,…,K；

(4)、将波长矩阵W_λ引入光真时延迟得到光码本矩阵

在波长矩阵W_λ中，不同波长的光载波通过单模色散光纤会引入不同的时延，而不同的时延会导致不同的相移值，其具体关系如下：

Δτ_u,t＝(λ_u-λ_t)DL

其中，D和L分别表示的是单模光纤的色散系数和长度，Δτ_u,t表示第u根天线和第t根天线之间由不同光载波所引入的时延差，

表示第u根天线和第t根天线之间相位差；

根据上述关系，将波长矩阵W_λ引入光真时延迟生成一个M_t×K的光码本

为：

ID:1 2 K

其中，K表示码本一共拥有的模式数目，用ID给每个模式编号，码本当中的每个元素

为选取第v个模式的时为第n个天线引入的相移值，n＝1,2,…,M_t，v＝1,2,…,K。

(5)、根据

计算出模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵；

(5.1)、根据每个用户的信道矩阵计算出总的信道矩阵

其中，上角标T表示的是转置符号；

(5.2)、计算出Mt×Nu维的最优全数字破零矩阵V_opt：

V_opt＝H^H(HH^H)^-1＝[v₁,...,v_i,...,v_Nu]

其中，v_i代表V_opt的第i列元素，上角标H表示的是共轭转置符号；

(5.3)、基于光码本矩阵

对V_opt进行分解；

其中，w_i表示

矩阵的第i列元素，x_v,i表示w_v与v_i的内积，v∈[1,K]；

(5.4)、构建1×K维的向量

其中，h_v为第v个码字与V_opt的所有列的内积之和；

(5.5)、从向量h的K个元素中选取出最大的N_t ^RF个，再由这N_t ^RF个元素对应的ID选出光码本矩阵

中所对应的N_t ^RF列，将光码本矩阵

中这些对应的N_t ^RF列组成模拟预编码矩阵F_RF：

其中，

表示第N_t ^RF列元素；

(5.6)、计算每个用户的等效信道矩阵H_ek，再将多个用户的等效信道矩阵拼成一个总的等效信道矩阵H_e

(5.7)、使用破零算法对不同用户间的干扰进行抑制消除，得到破零矩阵F^ZF为：F^ZF＝H_e ^H(H_eH_e ^H)^-1

(5.8)、在总功率约束得条件下对用户进行功率分配，功率分配矩阵P为：

P＝diag(p₁,p₂,…,p_k,...,p_Nu)

其中，p₁～p_Nu表示每个用户所分配得到得功率，总功率约束满足

ρ是一个常量；

(5.9)、计算数字预编码矩阵F_BB＝F^ZFP^1/2；

(6)、根据数字预编码矩阵F_BB对Ns个数据流进行数字与编码处理，实现对不同接受用户间的干扰消除和功率分配；

(7)、根据模拟预编码矩阵F_RF对N_t ^RF条射频链路进行模拟预编码处理；

(7.1)、分离光载波，将步骤(2)中由多波长激光器产生的光载波分为N_t ^RF份，每一份都有m个均匀间隔光载波；

(7.2)、利用可调谐滤波器对

中选出的N_t ^RF列光载波进行滤波处理，每一列选出这列所对应的M_t个光载波；

(7.3)、在每一条射频链路上利用电光调制器将待发射的射频信号调制到由可调谐滤波器所选出的M_t个光载波上；

(7.4)、引入多路复用器，将调制后的光载波耦合注入到L-km的单模光纤前传链路中；

(7.5)、在有源天线单元端利用一个1×m无源解复用器对光载波进行分离，m个输出通道与向量p_s中的m个光载波匹配，m个输出通道与天线阵列之间的链接关系通过一个m×M_t的矩阵M_IC来描述；

(7.6)、映射到某一根天线上的N_t ^RF个光载波先经过光电探测器，将光信号转化为电信号，最后再通过射频加法器将射频信号引入天线，完成模拟预编码；

(8)、多用户的混合波束成形完成后，发射端的发送的信号通过不同的无线信道H_k传输，被Nu个用户分别接收。

2.根据权利要求1所述的一种面向5G C-RAN的多用户混合波束成形方法，其特征在于，所述步骤(5.8)中，分配功率p_k的计算方法为：

其中，q_k为(F_RFF^ZF)^TF_RFF^ZF的第k个对角元素；λ为注水线，是使上式满足功率约束的一个常量，σ为噪声方差。

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