CN112165347B - 一种毫米波纯模拟波束成形用户调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种毫米波纯模拟波束成形用户调度方法，包括以下步骤：S1、令第个用户端的信道采用莱斯信道模型h_κ；S2、令基站端采用等距线阵天线，计算离开角为θ的天线阵列响应矢量α(θ)；S3、假设基站具有K×1的原始信号s要向K个用户端发送，计算共享幅度加权模拟波束成型矩阵F_RF；S4、通过启发式用户调度方法进行服务用户选择；S5、设计共享幅度权值；S6、设计第一级模拟域预编码矩阵F的第k列f_k。本发明用户调度方式应用在纯模拟域波束成型技术中，在多径稀疏的场景中，大大降低多用户间干扰，解决了纯模拟波束成形方案不适用于多用户通信的固有缺陷；只需要各用户下行路径的离开角，而不需要信道的路径系数，只需要极少的信道信息，大大降低训练开销。

Description

一种毫米波纯模拟波束成形用户调度方法

技术领域

本发明涉及未来5G毫米波大规模天线阵列通信技术领域，尤其涉及一种毫米波纯模拟波束成形用户调度方法。

背景技术

未来5G通信需要更大的带宽，更高的数据速率和频谱效率。毫米波频段拥有巨大的未授权频谱资源，被认为是5G通信中很有前景的选择；同时大规模天线阵列技术通过获得更高的天线增益来抵抗路损；另外，为了提高天线方向增益，提高覆盖能力，波束成型技术得到广泛关注。波束成形技术分为模拟域波束成形和数字域波束成形。模拟域波束成形多数情况通过相移器网络进行实现，实现成本低，但是只适用于单流传输。数字域波束成形通过迫零预编码等技术消除多流之间的干扰，但是硬件成本较高，并且需要已知等效信道信息，信道估计开销大。

针对多用户情况，共享幅度加权模拟波束赋形作为一种纯模拟域波束成形技术，通过共享幅度加权降低波束旁瓣水平，降低多用户之间的干扰，使得模拟域波束成形直接应用于多用户通信场景，降低训练开销和硬件成本。但是，共享幅度加权造成波束主瓣宽度增加，用户受到重叠波束的覆盖而导致严重干扰的概率增加，近距离用户之间的严重干扰将导致系统总可达速率的降低。

发明内容

基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种毫米波纯模拟波束成形用户调度方法。

本发明提出的一种毫米波纯模拟波束成形用户调度方法，应用场景为：一个基站与K个用户端进行下行通信；基站天线有N_BS根，射频链数为N_RF条；K个用户端为单天线，射频链数为一条；包括以下步骤：

S1、令第k个用户端的信道采用莱斯信道模型h_k；

S2、令基站端采用等距线阵天线，计算离开角为θ的天线阵列响应矢量α(θ)；

S3、假设基站具有K×1的原始信号s要向K个用户端发送，计算共享幅度加权模拟波束成型矩阵F_RF；

S4、通过启发式用户调度方法进行服务用户选择；

S5、设计共享幅度权值；

S6、设计第一级模拟域预编码矩阵F的第k列f_k。

优选的，在S1中，莱斯信道模型h_k的计算公式为

其中：v_k为第k个用户端信道的莱斯因子，h_L，k为所述基站与第k个用户端的直视径信道，

其中，

为第k个用户端直视径信道的下行离开角，

α为离开角为

的天线阵列响应矢量；

h_N，k为所述基站与第k个用户端散射径信道，

其中，L_N为散射径信道条数，α_k，l为第k个用户端第l条散射径信道的路径系数，

为第k个用户端第l条散射径的下行离开角，

为离开角为

的天线阵列响应矢量。

优选的，在S2中，天线阵列响应矢量α(θ)的计算公式为

其中：表d示天线间距，λ表示波长，j为虚数单位，且

4、优选的，在S3中，共享幅度加权模拟波束成型矩阵F_RF的计算公式为

F_RF＝WF；

其中：F是N_BS×N_RF维第一级模拟域预编码矩阵并由相移器网络构成，且F的元素满足

幅度限制，其中m＝1，2…，N_BS，n＝1，2…，N_RF；(F)_m，n为矩阵F的第m行、第n列的元素；

W为N_BS×N_BS维对角共享幅度加权矩阵，由功率放大器构成，并且W元素满足

的功率约束。

优选的，在S4中，若基站端仅知各用户下行直视径信道的离开角时，执行以下步骤：

S41、将各用户下行直视径信道的离开角按递增顺序排列为向量

其中：

表示第k个用户的下行直视径信道的离开角，L表示直视径路径；

S42、定义角度距离矩阵D为

D＝diag(Θ^L)1_K×K-(diag(Θ^L)1_K×K)^T；

其中：diag(Θ^L)表示以Θ^L的各元素为对角线元素形成的对角矩阵，1_K×K表示维度为K×K的元素均为1的矩阵；

S43、对角度距离矩阵D进行以下元素处理：

(1)

(2)

其中：d_m，n为矩阵D的第m行、第n列的元素；θ_r表示任意两个用户的最小角度距离门限；

S44、进行迭代用户选择，初始化选择用户索引集为Λ⁰＝{1}，迭代次数为t＝0；

S45、在第t次迭代中，定义距离乘积向量v^t：

其中：

表示矢量的哈达玛积，

表示矩阵D中第

列每个元素模值组成的列矢量；Λ^t表示第t次迭代中用户索引集合，

表示第t次迭代中选择用户索引集Λ^t的第i个元素，|Λ^t|表示集合Λ^t中的元素个数；

S46、在距离乘积向量v^t中选出最大值的索引

并更新索引集

更新迭代次数t＝t+1；

S47、根据终止条件进行判断：

若满足t＝N_RF或者

则执行步骤S5；

若不满足t＝N_RF或者

则执行步骤S45至步骤S47。

优选的，在基站端已知各用户下行信道所有路径的离开角进行服务用户选择，执行以下步骤：

S48、按照向量

中用户顺序将各用户第l条散射径信道的离开角排列为向量

其中：

表示第k个用户第l条非散射径信道的离开角，其中，N表示散射径，其他散射径信道的离开角类似排列为

L_N表示散射径信道条数。

S49、定义各用户直视径信道离开角和其余用户第l条非散射径信道的离开角之间的角度距离矩阵D_l：

其中：l＝1，2，…，L_N；

S410、对角度距离矩阵Dl进行以下元素处理：

(1)

(2)

其中，

为矩阵D_l的第m行、第n列的元素；ε表示一个大于0且小于1的常数；

S411、定义带权距离矩阵为

S412、对带权距离矩阵

进行以下元素处理：

(1)

(2)

其中：

为矩阵

的第m行、第n列的元素；

S413、利用回溯法对于ε值进行选取，首先初始化ε值为0，然后执行步骤S44至步骤S47，执行过程中用

替换D，然后判断：

如果选出的用户数小于射频链数，则更新ε＝ε+0.01，并继续执行步骤S44至步骤S47；

如果选出的用户数等于射频链数，则执行步骤S5。

优选的，在步骤S5中，在步骤S5中，基于凯塞窗函数

进行共享幅度权值的设计，其中，W_m表示对角共享幅度加权矩阵W的第m个对角线元素，β表示用于调节波束主瓣宽度和旁瓣水平的调节因子；I₀表示第一类零阶修正贝塞尔函数；α表示功率归一化因子。

优选的，在步骤S6，设计第一级模拟域预编码矩阵F的第k列f_k：

其中Q(·)是对括号中的相对值进行量化操作，这里

表征

表示第k个用户的下行直视径信道的离开角。

本发明提出的一种毫米波纯模拟波束成形用户调度方法，降低成本和系统开销，仅依赖于波束方向即可实现用户调度，使得纯模拟域波束成形架构应用于多用户通信场景，避免了近距离用户之间的严重干扰。

本发明既不需要进行完整信道信息，也具有比较低的计算复杂度。本发明应用在共享幅度加权模拟波束成形技术中，其有益技术效果体现在：本发明用户调度方式应用在纯模拟域波束成型技术中，在多径稀疏的场景中，大大降低多用户间干扰，解决了纯模拟波束成形方案不适用于多用户通信的固有缺陷；本发明只需要各用户下行路径的离开角，而不需要信道的路径系数，因此只需要极少的信道信息，大大降低训练开销；本发明基于增量贪婪算法进行设计，与穷举搜索方法相比可以大大降低计算复杂度，缩短用户调度所用时间。

附图说明

图1为本发明共享幅度加权模拟波束成形架构图；

图2为本发明在不同用户数下的性能仿真及与其他算法的性能对比图。

具体实施方式

参照图1，本发明提出一种毫米波纯模拟波束成形用户调度方法，应用于一个基站与K个用户端进行下行通信；基站天线有N_BS根，射频链数为N_RF条；K个用户端为单天线，射频链数为一条；

包括以下步骤：

S1、令第k个用户端的信道采用莱斯信道模型h_k

其中：v_k为第k个用户端信道的莱斯因子，h_L，k为所述基站与第k个用户端的直视径信道，

其中，

为第k个用户端直视径信道的下行离开角，

为离开角为

的天线阵列响应矢量；

h_N，k为所述基站与第k个用户端散射径径信道，

其中，L_N为散射径信道条数，a_k，l为第k个用户端第l条散射径信道的路径系数，

为第k个用户端第l条散射径信道的下行离开角，

为离开角为

的天线阵列响应矢量。

S2、令基站端采用等距线阵天线，计算离开角为θ的天线阵列响应矢量α(θ)；

其中：表d示天线间距，λ表示波长，j为虚数单位，且

S3、假设基站具有K×1的原始信号s要向K个用户端发送，计算共享幅度加权模拟波束成型矩阵F_RF；

F_RF＝WF；

其中：F是N_BS×N_RF维第一级模拟域预编码矩阵并由相移器网络构成，且F的元素满足

幅度限制，其中m＝1，2…，N_BS，n＝1，2…，N_RF；(F)_m，n为矩阵F的第m行、第n列的元素；

W为N_BS×N_BS维对角共享幅度加权矩阵，由功率放大器构成，并且W元素满足

的功率约束。

S4通过启发式用户调度方法进行服务用户选择：

若基站端仅知各用户下行直视径信道的离开角时，执行以下步骤：

S41、将各用户下行直视径信道的离开角按递增顺序排列为向量

其中：

表示第k个用户的下行直视径信道的离开角，其中k＝1，2，…，K；L表示直视径；

S42、定义角度距离矩阵D为

D＝diag(Θ^L)1_K×K-(diag(Θ^L)1_K×K)^T

其中：diag(Θ^L)表示以Θ^L的各元素为对角线元素形成的对角矩阵，1_K×K表示维度为K×K的元素均为1的矩阵；

S43、对角度距离矩阵D进行以下元素处理：

(1)

(2)

其中：d_m，n为矩阵D的第m行、第n列的元素；θ_r表示任意两个用户的最小角度距离门限；

S44、进行迭代用户选择，初始化选择用户索引集为Λ⁰＝{1}，迭代次数为t＝0；

S45、在第t次迭代中，定义距离乘积向量v^t：

其中：

表示矢量的哈达玛积，

分别表示矩阵D中第

列每个元素模值组成的列矢量；Λ^t表示第t次迭代中用户索引集合，

表示第t次迭代中选择用户索引集Λ^t的第i个元素，|Λ^t|表示集合Λ^t中的元素个数；

S46、在距离乘积向量v^t中选出最大值的索引

并更新索引集

更新迭代次数t＝t+1；

S47、根据终止条件进行判断：

若满足t＝N_RF或者

则执行步骤S5；

若不满足t＝N_RF或者

则执行步骤S45至步骤S47。

优选的，在基站端已知各用户下行信道所有路径的离开角进行服务用户选择，执行以下步骤：

S48、按照向量

中用户顺序将各用户第l条散射径信道的离开角排列为向量

其中：

表示第k个用户第l条散射径信道的离开角，N表示散射径，离开角类似排列为

L_N是散射径信道路径条数。

S49、定义各用户直视径信道离开角和其余用户第l条散射径信道的离开角之间的角度距离矩阵D_l：

其中：l＝1，2，…，L_N；

S410、对角度距离矩阵D_l进行以下元素处理：

(1)

(2)

其中，

为矩阵D_l的第m行、第n列的元素；ε表示一个大于0且小于1的常数；

S411、定义带权距离矩阵为

S412、对带权距离矩阵

进行以下元素处理：

(1)

(2)

其中：

为矩阵

的第m行、第n列的元素；

S413、利用回溯法对于ε值进行选取，首先初始化ε值为0，然后执行步骤S44至步骤S47，执行过程中用

替换D，然后判断：

如果选出的用户数小于射频链数，则更新ε＝ε+0.01，并继续执行步骤S44至步骤S47；

如果选出的用户数等于射频链数，则执行步骤S5。

S5、基于凯塞窗函数

进行共享幅度权值的设计，其中，W_m表示对角共享幅度加权矩阵W的第m个对角线元素，β表示用于调节波束主瓣宽度和旁瓣水平的调节因子；I₀表示第一类零阶修正贝塞尔函数；α表示功率归一化因子。

S6、设计第一级模拟域预编码矩阵F的第k列f_k：

其中Q(·)是对括号中的相对值进行量化操作，这里

表征

表示第k个用户的下行直视径信道的离开角。

参照图2，共享幅度权值模拟波束成形技术中的用户调度方案达到的系统总可达速率的由仿真图2表现出来，其中关于仿真参数的设置：N_BS＝128，N_RF＝16，K＝40。

仿真图2中引入了三种不同的波束成形方法的对比：

(1)本发明提出的应用在共享幅度加权模拟波束成形技术中的用户调度方法；

(2)传统的混合波束成形方法，即首先进行信道矩阵奇异值分解，之后对于最大奇异值对应的奇异值向量进行相位提取和量化，来设计模拟域预编码矩阵，接着进行有效信道的估计，数字域波束成形时基于估计所得的有效信道进行迫零预编码实现；

(3)由《电气和电子工程师协会车辆技术学报》(2019年2月出版68卷2期1534-1548页)提出的用户和码本联合选择等幅值模拟波束成型方法。

以完美信道状态信息下的混合波束成形方案作为性能衡量标准，图2横坐标为总用户数，纵坐标为总的可达速率，表示了采用本发明在不同信道多径数和莱斯系数，以及不同射频通道数下的性能仿真图，以及与其他算法的对比。固定导频信噪比为15dB。

从图2中看出，本发明提出的用户调度与共享幅度加权模拟波束成形方法远优于用户和码本联合选择等幅值模拟波束成型方法。在仅有直视径的情况下，结合所提用户调度方案的共享幅度加权模拟波束成形技术十分接近完美信道状态信息下的混合波束成型性能，随着信道多径数增加，莱斯因子降低，虽然有性能降低，但是性能还是远优于用户和码本联合选择等幅值模拟波束成型方法。用户和码本联合选择等幅值模拟波束成型方法仅仅依赖于多用户分集增益，因此在用户数不足够多的时候，性能比本发明提出的用户调度结合共享幅度加权模拟波束成形方法相差很大。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种毫米波纯模拟波束成形用户调度方法，应用场景为：一个基站与K个用户端进行下行通信；基站天线有N_BS根，射频链数为N_RF条；K个用户端为单天线，射频链数为一条；其特征在于，包括以下步骤：

S1、令第k个用户端的信道采用莱斯信道模型h_k；

S2、令基站端采用等距线阵天线，计算离开角为θ的天线阵列响应矢量α(θ)；

S3、假设基站具有K×1的原始信号s要向K个用户端发送，计算共享幅度加权模拟波束成型矩阵F_RF；

S4、通过启发式用户调度方法进行服务用户选择；

S5、设计共享幅度权值；

S6、设计第一级模拟域预编码矩阵F的第k列f_k；

在S4中，若基站端仅知各用户下行直视径信道的离开角时，执行以下步骤：

S41、将各用户下行直视径信道的离开角按递增顺序排列为向量

其中：

表示第k个用户的下行直视径信道的离开角，这里k＝1，2，…，K，L表示直视径；

S42、定义角度距离矩阵D为

D＝diag(Θ^L)1_K×K-(diag(Θ^L)1_K×K)^T

其中：diag(Θ^L)表示以Θ^L的各元素为对角线元素形成的对角矩阵，1_K×K表示维度为K×K的元素均为1的矩阵；

S43、对角度距离矩阵D进行以下元素处理：

(1)

(2)

其中：d_m，n为矩阵D的第m行、第n列的元素；θ_r表示任意两个用户的最小角度距离门限；

S44、进行迭代用户选择，初始化选择用户索引集为Λ⁰＝{1}，迭代次数为t＝0；

S45、在第t次迭代中，定义距离乘积向量υ^t：

其中.

表示矢量的哈达玛积，

分别表示矩阵D中第

列每个元素模值组成的列矢量；Λ^t表示第t次迭代中用户索引集合，

表示第t次迭代中选择用户索引集Λ^t的第i个元素，|Λ^t|表示集合Λ^t中的元素个数；

S46、在距离乘积向量v^t中选出最大值的索引

并更新索引集

更新迭代次数t＝t+1；

S47、根据终止条件进行判断：

若满足t＝N_RF或者

则执行步骤S5；

若不满足t＝N_RF或者

则执行步骤S45至步骤S47。

在基站端已知各用户下行信道所有路径的离开角进行服务用户选择，执行以下步骤：

S48、按照向量

中用户顺序将各用户第l条散射径信道的离开角排列为向量

其中：

表示第k个用户第l条散射径信道的离开角，N表示散射径，其他散射径信道的离开角类似排列为

这里L_N表示散射径信道条数；

S49、定义各用户直视径信道离开角和其余用户第l条散射径信道的离开角之间的角度距离矩阵D_l：

其中：l＝1，2，…，L_N；

S410、对角度距离矩阵D_l进行以下元素处理：

(1)

(2)

其中，

为矩阵D_l的第m行、第n列的元素；ε表示一个大于0且小于1的常数；

S411、定义带权距离矩阵为

S412、对带权距离矩阵

进行以下元素处理：

(1)

(2)

其中：

为矩阵

的第m行、第n列的元素；

S413、利用回溯法对于ε值进行选取，首先初始化ε值为0，然后执行步骤S44至步骤S47，执行过程中用

替换D，然后判断：

如果选出的用户数小于射频链数，则更新ε＝ε+0.01，并继续执行步骤S44至步骤S47；

如果选出的用户数等于射频链数，则执行步骤S5。

2.根据权利要求1所述的毫米波纯模拟波束成形用户调度方法，其特征在于，在S2中，天线阵列响应矢量α(θ)的计算公式为

其中：表d示天线间距，λ表示波长，j为虚数单位，且

3.根据权利要求1或2所述的毫米波纯模拟波束成形用户调度方法，其特征在于，在S3中，共享幅度加权模拟波束成型矩阵F_RF的计算公式为

F_RF＝WF；

其中：F是N_BS×N_RF维第一级模拟域预编码矩阵并由相移器网络构成，且F的元素满足

幅度限制，其中m＝1，2…，N_BS，n＝1，2…，N_RF；(F)_m，n为矩阵F的第m行、第n列的元素；

W为N_BS×N_BS维对角共享幅度加权矩阵，由功率放大器构成，并且W的元素满足

的功率约束。

4.根据权利要求1或2所述的毫米波纯模拟波束成形用户调度方法，其特征在于，在步骤S5中，基于凯塞窗函数

进行共享幅度权值的设计，其中，W_m表示对角共享幅度加权矩阵W的第m个对角线元素，β表示用于调节波束主瓣宽度和旁瓣水平的调节因子；I₀表示第一类零阶修正贝塞尔函数；α表示功率归一化因子。

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