CN113287265B - 能够进行模拟预编码和模拟组合的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明包括：联合确定模拟预编码矩阵FRF和多个多用户组Gl，每个多用户组Gl与相应子载波l相关联，每个多用户组Gl包含针对在相应子载波l上的数据传输被联合服务的多个接收机；以及使用模拟预编码矩阵FRF处理要发送的至少一个信号；其特征在于，联合确定包括：/a/关于模拟预编码矩阵FRF优化波束成形函数f(FRF，G1...，GL)，多用户组Gl是固定的；/b/关于多用户组Gl优化调度函数g(Gl，FRF)，模拟预编码矩阵FRF的值是固定的；其中，/a/和/b/被迭代地重复。

Description

能够进行模拟预编码和模拟组合的方法
技术领域
本发明涉及无线通信，并且更具体地涉及用于多用户(MU)宽带毫米波(mmWave)系统(例如，宽带MU毫米波大规模多输入/多输出(MIMO)系统)中的无线电资源管理的技术。
背景技术
预计利用从30GHz(千兆赫)到300GHz的载波频率的毫米波(mmWave)无线通信成为例如未来5G蜂窝系统的关键特征。使用如此高频率的主要益处是，可以为更高的数据速率提供大得多的频谱。
毫米波传播的特征尤其在于自由空间中的高路径损耗、通过建筑材料的高穿透损耗、弱衍射和易受阻塞影响。因此，必须在发送方和接收方都使用高度定向的自适应天线阵列来补偿传播缺陷并且实现数百米距离的蜂窝覆盖范围。
定向阵列通常使用大量天线元件来构造，例如几十到几百个。除了高方向性增益外，大天线阵列的使用还增强了空间复用，因为可以实现更窄的波束。
实际上，宽带毫米波系统中的无线电资源管理比低于6GHz的常规系统中的无线电资源管理复杂得多。在具有大型天线阵列的系统中，由于高带宽混合信号组件昂贵且消耗大量电力，因此收发器处的射频(RF)链的数量必须小于天线的数量。为了减少RF链的数量，通常使用混合模拟/数字波束成形架构。
混合架构的优点之一是，附加的数字处理可以弥补模拟处理的精度不足(例如，由于仅以有限相位分辨力工作的移相器)。但是，在宽带毫米波系统的情况下，由于宽带系统的模拟RF(或简称为“RF”)波束成形在所有子载波之间被共享，而数字基带(或简称为“基带”)波束成形在子载波之间可能有所不同，因此用于无线电资源管理的波束成形设计(即，模拟和数字波束成形器的设计)比在低于6GHz下操作的传统LTE系统或窄带毫米波系统中复杂得多。
另外，在多用户(MU)系统中，可以将多个用户设备(UE，在下文中也称为“用户”或“接收机”)被分配给用于数据传输的同一资源块(RB)集合。因此，无线电资源管理必须考虑以下两个问题：
-用户分组，对UE分组以进行MU调度；以及
-资源分配，将时间资源和频率资源分配给多组UE。
用户调度、资源分配和将用户分组到多组UE的原理如图1所示。
图1表示由基站(BS)103(在下文中也称为“发射机”)服务的小区101，其包括多个活动UE 102a、102b、102c、102d。首先，可以选择活动UE 102a、102b、102c、102d中的多个活动UE 104以进行发送。所选择的UE(也称为被调度UE)在图1中被圈出。在宽带系统的情况下，然后可以将每个被调度UE分配给某个频带以在资源分配过程中进行发送。在多用户发送方案的情况下，可以在相同的时频资源(即，资源块集合，RB)中联合服务多个用户。为此，执行用户分组以形成UE的多用户组105a、105b，使得MU组的UE占用相同的时频资源106a、106b。例如，在具有L个子载波的宽带系统中，可以假设，对于每个子载波l＝1...L，在第l个子载波上联合服务K个用户(K≥1，K为整数)。在该情况下，每个MU组可以包含在第l个子载波上被联合服务的K个用户。
图2A和图2B分别表示混合宽带无线系统中的发射机和接收机的示例。
根据图2A，发射机200配备有Nt个发射天线和Lt个发射RF链。发射机在具有L个子载波的宽带系统上工作，并且假设在每个子载波l(l＝1，...，L)上，发射机200联合调度K个用户并且为其服务。以下，给定子载波l上的被调度用户的索引被标记为π(l，k)(l＝1，...，L且k＝1，...，K)。换句话说，用户π(l，k)是第l个子载波上的第k个用户。
在发射机200处，对于每个子载波l(l＝1，...，L)，Ns(l)个数据流由在RF预编码器203(或“RF预编码矩阵”)FRF之前的基带预编码器201、202(或者“基带预编码矩阵”)FBB[l]处理。必须注意，数字基带预编码器201、202在不同的子载波当中可以是不同的，而模拟RF预编码器203对于所有子载波都是相同的。
根据图2B所示的实施方式，第π(l，k)个接收机210π(l，k)(1≤k≤K且1≤l≤L)可以配备有个接收RF链和/>个接收RF链。第π(l，k)个接收机210可以从发射机接收个数据流。接收到的数据流可以由RF组合器211/>进行处理，然后由基带组合器212/>进行处理。在由RF和基带组合器进行处理之后，第π(l，k)个接收机210可以输出/>个数据流/>如图2B所示，针对第π(l，k)个接收机可能存在多于一个基带组合器。实际上，在第l个子载波上的被调度用户π(l，k)也可以在其它子载波l2，...，li上被调度。
当然，图2A和图2B中表示的架构仅是可以执行本方法的混合宽带无线系统的示例。可以考虑其它系统。例如，在接收机处，可能仅存在模拟组合器，而不是模拟组合器和数字组合器两者。
这样的混合宽带无线系统的整体性能可以通过被称为“品质因数”的值来量化，并且可以发现品质因数是MU组和RF波束成形矩阵(即，RF预编码矩阵FRF和RF组合矩阵WRF，π(l，k))的函数。
作为示例，下面提供了根据可能实施方式的用于无线电资源管理的品质因数是下行链路(DL)传输的平均宽带总速率的情况。
在该实施方式中，假设针对每个子载波上的多用户传输，联合服务K个接收机。在其它实施方式中，对于两个不同的子载波，被联合服务的接收机的数量可以是不同的。在每个子载波l(l＝1，...，L)上联合服务K个接收机(K≥2)的情况下，发射机在子载波l上发送的流的总数等于在该情况下，/>并且/>
此外，可以假定以下约束：
并且/>并且/>
在接收机π(l，k)处接收到的信号即，在第l个子载波(1≤l≤L)上的第k个接收机(其中，k是整数，1≤k≤K)可以被写为：
其中，MH表示矩阵M的共轭转置矩阵，是在第l个子载波上的第k个接收机的用户信道矩阵，/>是针对在第l个子载波上调度的所有K个接收机的数据符号/>的级联，nπ(l，k)[l]为第π(l，k)个接收机的噪声向量。
在用户信道矩阵(或“信道状态信息”，CSI)Hπ(l，k)(l)在接收机处不是完全已知的情况下，可以执行信道估计以估计接收机(CSIR)处的CSI。可以执行用于估计CSIR的现有技术中的任何方法。在本公开中，如果Hπ(l，k)(l)是已知的，则Hπ(l，k)(l)可以表示完美的CSIR，或者可以表示通过专用方法获得的CSIR的估计。
可以假设数据符号向量的功率满足其中，/>表示统计期望，Isz表示大小sz的单位矩阵，并且nπ(l，k)[l]是高斯向量。例如，/>其中，σ2＞0。还可以假设RF和基带预编码器受到以下功率约束：/>其中，Ptot[l]是第l子载波上的总发送功率，并且||M||F是矩阵M的范数，例如Frobenius范数。
混合架构的RF预编码器/组合器可以由移相器实现，每个收发器通过移相器的网络连接到每个天线。在这种情况下，矩阵FRF和WRF，π(l，k)的元素可以满足：
对于所有k＝1，...，K和l＝1，...，L
θm，n∈Φprec，对于所有k＝1，...，K
其中，Φprec是移相器在发射机处的量化相位的离散集合，是移相器在接收机π(l，k)处的量化相位的离散集合。
在一个实施方式中，可以在接收机π(l，k)处使用最小均方误差(MMSE)基带数字波束成形。基带预编码器FBB[l]可以写为K个子矩阵FBB，π(l，k)[l]的级联，其中，k＝1，...，K：
FBB[l]＝[FBB，π(l，1)[l]...FBB，π(l，K)[l]]
其中，FBB，π(l，k)[l]是矩阵FBB[l]的被用于对要发送到接收机π(l，k)的信号进行预编码的部分。数字基带组合器可以写为：
其中，是接收机π(l，k)的等效信道。
下行链路(DL)传输的平均宽带总速率为：
其中，Rπ(l，k)是被调度的接收机π(l，k)的有效噪声协方差矩阵，由下式给出：
其中，是包含在第l个子载波上被联合服务的K个用户的MU组。
从对多个参数的联合优化(其中，一些参数在连续域中被优化，而其它参数在离散码本空间中被优化)的意义上说，为了使系统的整体性能最大化而联合优化FRF和WRF，π(l，k)的函数是很难的非凸混合优化问题。因此，很难在合理时间内找到闭合形式的解或者甚至是次优数值解。另外，解决这样的问题需要在发射机处的所有子载波上为所有用户收集信道状态信息(CSI)，这导致巨大信令开销，这对于实际系统设计是不可接受的。
在现有技术的算法中，用户调度(即，确定MU组)和RF波束成形设计(即，确定RF波束成形矩阵FRF，WRF，π(l，k))依次且彼此独立地被处理。更具体地，这些算法首先基于预定调度准则来确定用户组/>然后基于预定义RF波束成形准则来确定RF波束成形矩阵FRF，WRF，π(l，k)。但是，用户调度和RF波束成形问题的这种顺序处理会导致性能下降。
因此，需要一种用于宽带多用户大规模MIMO系统中的用户调度和RF波束成形设计的方法，该方法具有良好的性能，同时又避免了高计算复杂性和巨大信令开销。
发明内容
本发明涉及一种波束成形方法，该波束成形方法由计算机实现以用于在毫米波通信系统中实现模拟预编码，该毫米波通信系统包括能够在多个子载波上服务多个接收机的发射机，该方法包括：
-联合确定模拟预编码矩阵FRF和多个多用户组每个多用户组/>与多个子载波中的相应子载波l相关联，每个多用户组/>包含多个接收机中的针对在相应子载波l上的数据传输被联合服务的多个接收机；以及
-使用模拟预编码矩阵FRF来处理在多个子载波中的一个子载波上发送到多个接收机中的至少一个接收机的至少一个信号；
其特征在于，模拟预编码矩阵FRF和多个多用户组的联合确定包括：
/a/关于模拟预编码矩阵FRF优化模拟预编码矩阵FRF和多用户组的波束成形函数/>多用户组/>是固定的；
/b/关于多用户组优化模拟预编码矩阵FRF和多用户组/>的调度函数模拟预编码矩阵FRF的值是固定的；
其中，/a/和/b/被迭代地重复，直到满足停止准则为止。
如上所述，毫米波系统相对于常规通信系统受到附加约束(诸如，RF预编码和组合码本、RF预编码器和组合器的非频率选择性特性等)。因此，对于这些毫米波系统，预编码器和调度设计必须考虑这些特定约束，并且设计与常规低于6GHz系统有很大不同。本发明提出了利用基于调度问题(方法的步骤b/)和RF波束成形(方法的步骤a/)的联合交替优化的多阶段方法来解决在这些特定约束下的波束成形设计的问题。
在一个实施方式中，可以在/a/之后执行/b/。在/a/中，可以在联合确定的先前迭代中获得多用户组并且在/b/中，可以在/a/的当前迭代中获得模拟预编码矩阵FRF的值。
这意味着通过“先前”和“当前”迭代的该方法的两个连续迭代，“先前”迭代指定紧接在“当前”迭代之前的迭代。
在另选实施方式中，/b/可以在/a/之前执行。在/a/中，可以在/b/的当前迭代中获得多用户组并且在/b/中，可以在联合确定的先前迭代中，获得模拟预编码矩阵FRF的值。
在一个或多个实施方式中，可以通过使用模拟预编码码字集合来执行模拟预编码，并且/a/可以包括：
-在不假设第一矩阵的列属于模拟预编码码字集合/>的情况下，确定优化波束成形函数/>的第一矩阵/>
-确定至少一个模拟预编码码字，每个所确定的模拟预编码码字使到第一矩阵的列的距离最小化；
-确定其列等于所确定的至少一个模拟预编码码字的模拟预编码矩阵FRF。
另外，该方法可以进一步包括：确定至少一个模拟组合矩阵WRF，π(l，k)；并且
其中，波束成形函数和调度函数还可以是至少一个模拟组合矩阵WRF，π(l，k)的函数；
其中，/a/中的优化可以是关于模拟预编码矩阵FRF和至少一个模拟组合矩阵WRF，π(l，k)的波束成形函数的联合优化；
其中，可以通过至少一个模拟组合矩阵WRF，π(l，k)中的模拟组合矩阵的值来执行/b/中的优化。
其中，至少一个所确定的模拟组合矩阵WRF，π(l，k)可以进一步用于处理在多个子载波中的一个子载波上发送到多个接收机中的至少一个接收机的至少一个信号。
此外，可以通过使用模拟组合码字集合来执行模拟组合，其中，/a/包括：
-在不假设第二矩阵的列属于模拟组合码本集合/>的情况下，确定优化波束成形函数的第二矩阵/>
-确定至少一个模拟组合码字，每个所确定的模拟组合码字使到第二矩阵的列的距离最小化；
-确定其列等于所确定的至少一个模拟组合码字的模拟组合矩阵WRF，π(l，k)。
在一个或多个实施方式中，所述方法可以进一步包括：
-接收多个发送矩阵多个接收矩阵中的每个发送矩阵与多个接收机中的接收机π(l，k)相关联并且与多个子载波中的子载波1相关联，其中，多个接收矩阵中的每个接收矩阵的列属于模拟预编码码字集合/>
-基于多个发送矩阵确定多个接收机集合/>每个接收机集合/>包括多个接收机中的一个或更多个接收机，一个或更多个接收机中的每个接收机与多个子载波中的一个子载波相关联；
并且，/a/还可以包括：
-确定多个模拟预编码子矩阵FRF，k，每个模拟预编码子矩阵FRF，k对应于与各个接收机集合中的接收机相关联的模拟预编码矩阵FRF的一部分。
接收机集合的确定(也称为“聚类过程”)提供更好的折衷复杂性性能。通过该聚类过程，将解决FRF和WRF，π(l，k)的优化转换为解决FRF，k和WRF，π(l，k)的K个可并行化，每个问题都具有较小的问题大小和减少的搜索空间，而归因于聚类的总速率性能下降则可以忽略不计。
必须理解，该聚类过程是可选的。然而，在不执行这种聚类的情况下，由于问题大小，用于BS处的集中式设计的搜索空间(用于调度设计)较大，并且复杂度(用于RF预编码器/组合器优化)增加。
在一个实施方式中，多个发送矩阵中的每个发送矩阵可以是模拟预编码码字，并且可以与多个子载波中的相应子载波以及多个接收机中的相应接收机相关联。
此外，每个发送矩阵可以对应于相应子载波上的发射机与各接收机之间的相应有效通信路径。
在毫米波通信系统中，与信道矩阵的大小相比，具有显著增益的路径数量非常小。仅使用有效路径有利地利用了信道稀疏性，因此限制了要在BS与UE之间交换的信息量。
此外，可以基于多个发送矩阵中的至少两个发送矩阵之间的相似性度量来确定多个接收机集合/>
本发明的另一方面涉及毫米波通信系统中的能够进行模拟预编码和模拟组合的发射机，该发射机能够在多个子载波上服务多个接收机。该发射机可以包括：
-用于联合确定模拟预编码矩阵FRF和多个多用户组的电路，每个多用户组/>与多个子载波中的相应子载波l相关联，每个多用户组/>包含多个接收机中的针对相应子载波l上的数据传输被联合服务的接收机；以及
-用于通过使用模拟预编码矩阵FRF来处理至少一个在所述多个子载波中的一个子载波上发送到多个接收机中的至少一个接收机的信号的电路；并且
其特征在于，模拟预编码矩阵FRF和多个多用户组的联合确定包括：
/a/关于模拟预编码矩阵FRF优化模拟预编码矩阵FRF和多用户组的波束成形函数/>多用户组/>是固定的；
/b/关于多用户组优化模拟预编码矩阵FRF和多用户组/>的调度函数模拟预编码矩阵FRF的值是固定的；
其中，/a/和/b/被迭代地重复，直到满足停止准则为止。
本发明的另一方面涉及能够进行模拟预编码和模拟组合的毫米波通信系统，该系统包括如上限定的能够在多个子载波上服务多个接收机的发射机。
本发明的另一方面涉及一种非暂时性计算机可读存储介质，其上存储有包括程序指令的计算机程序，该计算机程序可加载到数据处理单元中并且适于当计算机程序由数据处理设备运行时使数据处理单元执行上述方法中的任一种。
参考附图，根据以下非限制性实施方式的描述，本文公开的方法和设备的其它特征和优点将变得明显。
附图说明
在附图的各个图中，以示例而非限制的方式示出了本发明，其中，相同的附图标记指代相同的元件，并且在附图中：
[图1]
图1表示宽带多用户系统中的用户调度、资源分配和用户分组。
[图2A]
图2A表示混合宽带无线系统中的发射机的示例。
[图2B]
图2B表示混合宽带无线系统中的接收机的示例。
[图3]
图3是描述在本发明的可能实施方式中在发射机处对MU组、RF预编码器FRF和RF组合器WRF，π(l，k)的联合确定的流程图。
[图4]
图4是描述在本发明的可能实施方式中基于所确定的用户集合对MU组、RF预编码器FRF和RF组合器WRF，π(l，k)进行联合确定的流程图。
[图5]
图5是实现本发明的设备的可能实施方式。
具体实施方式
在解释说明书及其相关权利要求时，将以非排他性方式解释诸如“包括”、“包含”，“合并”、“含有”、“是”和“具有”的表述，即，解释为允许未明确限定的其它项目或组件也存在。对单数的引用也应被解释为对复数的引用，反之亦然。
在下文中，假设从有限尺寸RF预编码码本中选择模拟预编码矩阵FRF，并且从有限尺寸RF组合码本/>中选择模拟组合矩阵WRF，π(l，k)。RF组合码本对于所有接收机可以是相同的，或者对于不同的接收机可以是不同的。可以为/>和/>选择任何类型的码本，例如Grassmannian或BeamSteering码本。码本的元素被称为码字。将的码字称为“RF预编码码字”，并且将/>的码字称为“RF组合码字”。
在一个实施方式中，预编码码本基于过采样离散傅立叶变换DFT矩阵，即，通过对从DFT矩阵中选择的子矩阵进行再归一化而构建的矩阵。这种矩阵可以通过算法获得，如下所示：
W1＝FFT(eye(Nos*Nt))/sqrt(Nt)
W2＝norm(W1)
W＝W2(1：Nt，1：Nos*Nt)
其中，Nos是过采样率，FFT(X)返回X的离散傅立叶变换，eye(sz)返回大小为sz×sz的数组，其中，主对角线为1且其它位置为零，sqrt(x)返回数字x的平方根，并且norm(A)返回从A获得的归一化矩阵(即，对于A的每一列，该列的所有系数均除以该列的范数；因此，所获得矩阵的每一列的范数等于1)。最终矩阵W是通过仅选择W2的第一个1至Nt行和第一个1至Nos*Nt列而获得的W2的子矩阵。所得到的矩阵W的每一列对应于预编码码本的码字。码本预编码具有每个大小为Nt×1的Nos*Nt个码字。
下面给出可以在本发明中使用的预编码码本的另一个示例：
其中，码字向量ci的第t个分量(t＝1，...，Nt)等于
第i个(i＝1，...，Nos*Nt)码字的波束方向为其中λ是波长并且dV是天线间距。
在两种情况下，码本中的每个码字都是长度Nt向量，其中，过采样率是Nos＞1，是Nt×(Nos*Nt)矩阵，每列用作预编码码字。
当然，可以使用其它预编码码本。
本发明提出联合执行用户MU分组(即，确定将在不同子载波l＝1...L上被联合服务的K个UE的MU组)和RF波束成形设计(即，确定RF预编码器FRF，并且最后确定组合器WRF，π(l，k))。这里不解决基带波束成形设计(即，确定数字预编码和组合矩阵)。一旦确定了用户组和RF波束成形矩阵，就可以使用任何方法来确定基带波束成形矩阵。更具体地，本发明提出了通过用户调度和RF波束成形设计之间的另选优化的WRF，π(l，k)和FRF的联合确定。
图3是描述在本发明的可能实施方式中在发射机处联合确定MU组RF预编码器FRF和RF组合器WRF，π(l，k)的流程图。根据该实施方式，可以通过使用迭代过程来执行该确定，其中，每个迭代包括两个步骤：
1/第一步骤302，在该步骤中，通过优化预定义RF波束成形设计准则来确定RF预编码器FRF和RF组合矩阵WRF，π(l，k)，MU组/>根据先前迭代是固定的。
这样的优化可以是最大化或最小化：
或
2/第二步骤303，在该步骤中，通过优化预定义调度设计准则g(π(l，k)，FRF，WRF，π(l，k))来确定MU组RF波束成形矩阵WRF，π(l，k)和FRF被固定为在第一步骤中确定的值。
这样的优化可以是最大化或最小化：
或
在以上过程的第一迭代之前，可以例如通过在用户集合当中的随机抽取来对MU组/>进行初始化301。另一种可能策略可以包括选择在(用于上行链路传输的)UE缓冲器中具有最大量的分组的用户或者在(用于下行链路传输的)BS缓冲器中具有最大量的专用分组的用户。
可以交替地重复步骤1/和2/，直到满足预定义收敛准则304为止。该收敛准则304可以例如基于当前迭代处的矩阵与先前迭代处的对应矩阵之间的数学距离。如果该距离小于预定阈值，则满足收敛准则，并且输出305FRF，WRF，π(l，k)。
例如，可以在没有码本约束的情况下首先解决步骤1/的优化问题，即，通过选择优化的/>和/>而不假设它们属于RF预编码且组合码本和/>然后，问题是二次约束的(由于功率约束)二次规划，其例如可以通过半定松弛和随机化过程来求解。然后，可以将FRF(分别为WRF，π(l，k))定义为等于RF预编码码本/>(分别为RF组合码本/>)的根据数学距离最接近/>(分别为/>)的每一列的码字。
当然，步骤1/和2/可以以不同的顺序执行。在一些实施方式中，2/可以在1/之前执行。
必须注意，RF组合器WRF，π(l，k)可以被决定并且在所选波束对中被报告给发射机。实际上，这可能导致性能降低，但是这种情况与3GPP NR Rel.15规范更加一致。在该情况下，在上述联合优化期间(其仅在和FRF之间执行)，RF组合器WRF，π(l，k)是未确定的。因此，在一些实施方式中，可以放弃对WRF，π(l，k)的确定。
如果在发射机侧的联合优化过程中确定了WRF，k，则发射机可以向每个被调度的UEk通知已为其分配的子载波、以及RF组合码本中的WRF，k的每个列向量的索引。一旦接收到这些索引，每个被调度的UE k可以相应地实现RF组合器。发射机将实现RF预编码器FRF。一旦选择了发射机和接收机处的RF波束成形矩阵，发射机就可以发送RS来估计每个被调度用户k的等效信道其中，在接收机侧/>
然后，每个被调度UEk可以反馈等效信道发射机因此可以为每个子载波l计算基带预编码器FBB[l]。在接收机侧，接收机(UE)可以实现基带接收滤波器WBB，k[l]。另选地，基带接收滤波器WBB，k[l]可以由发射机计算并且通过使用下行链路信令被发送至接收机。
现在提供上述联合确定过程的一些实施方式。这些实施方式利用毫米波系统中的通信信道的稀疏性。的确，在毫米波系统具有大天线阵列的情况下，许多路径被高度衰减，并且与信道矩阵Hπ(l，k)[l]的大小相比，具有显著增益的路径的数量Nspars被预期为较小。“显著增益”是指路径的增益大于预定义阈值。如果增益低于该阈值，则将其设置为零。因此，并且由于天线阵列的高方向性，预计BS和UE之间的角域中的信道矩阵“稀疏”，即，与其大小相比，仅具有一些非零条目。
因此，可以用非常少量的参数来描述第l个子载波上的BS与UEπ(l，k)之间的通信链路的信道矩阵Hπ(l，k)[l]。
其中，Nspars对应于有效路径数的数量；(还有/>)是包含相应有效路径i的偏离角(AoD)(还有到达角(AoA))信息的方向向量，而db，π(l，k)，i[l]是指示相应有效路径i的强度的复系数。
在一个实施方式中，AoD方向向量可以通过预编码码本/>的码字来近似，并且AoA方向向量/>可以通过组合码本/>的码字来近似。
必须注意，Nspars是可以根据信道稀疏性、信道估计精度和反馈能力来确定或配置的变量。
信道矩阵Hπ(l，k)[l]也可以写成：
其中，是矩阵，其列等于/> 是矩阵，其列等于/>并且是对角矩阵，其对角系数等于db，π(l，k)，i[l]，i＝1，...，Nspars。
已经开发了现有技术的多种算法来确定信道矩阵的上述稀疏表示，并输出例如参数集或等效的这些算法在这里未详细说明，并且它们中的任一个都可以在本发明的上下文中使用(例如，参见专利申请EP16306171.6；“Channel estimationand hybrid precoding for millimeter wave cellular systems”，A.Alkhateeb等人，IEEE，Journal of Selected Topics in Signal Processing，vol.8，no.5，pp831-846，2014年10月；或“Compressive channel estimation and tracking for large arrays inmm wave picocells”，Z.Marzi等人，IEEE Journal of Selected Topics in SignalProcessing vol.10，no.514-527，2016年4月)。
根据5G NR规范，波束管理过程包括以下操作：
-波束扫描：空间区域被覆盖有按照预先指定间隔和方向发送和接收的波束集合；
-波束测量：对于所有可能的BS/UE波束对(即，对于所有可能的预编码矩阵和组合矩阵/>的对)，将参考信号(RS)从BS发送到UE。在UE处针对每个波束对计算质量指示符(例如，质量指示符可以等于参考信号接收功率RSRP或参考信号接收质量RSRQ或从参考信号接收功率RSRP或参考信号接收质量RSRQ导出)；
-波束确定：在UE处基于其性能量度来选择至少一个波束对。例如，可以选择使性能量度最大化的一个或多个波束对，或者可以选择具有P个较高性能量度的P个波束对(其中，P是预定义整数)。
-波束报告：UE可以向BS报告所选波束对的索引(或多个索引)和相关联的质量指示符。
然后，可以在BS处基于所选波束对的索引(或多个索引)和相关的质量指示符来选择RF波束成形矩阵FRF，k和WRF，π(l，k)。
在本发明的一个实施方式中，在上述波束报告操作期间，UE可以反馈在波束确定操作期间选择的波束对的相应码本/>中的索引(多个索引)以及相关的质量指示符。当使用/>的RF预编码器在发射机处被实现并且使用的RF组合器在接收机处被实现时，质量指示符可以对应于例如参考信号接收功率：
因此，发射机可以针对所有活动UE(/>是小区的活动UE的集合)并且针对所有子载波l＝1，...，L收集所选波束对的所有索引，或者等效的所有矩阵(以下也称为“子空间”)/>然后，发射机可以基于所有LJ个子空间/>将活动UE/>聚类为K个独立集合/>在从不同集合中随机选择在相同子载波上被调度的UE的情况下，这种聚类使得可以限制用户之间的干扰。可以在MU组的初始化期间执行该随机选择。例如，如果MU组的初始化是基于随机抽取的，则与从所有活动用户的集合/>中完全随机选择K个用户相比，抽取不同的独立集合中的K个用户中的每个导致较低干扰。
基于LJ个接收子空间进行聚类有利地利用毫米波系统中的通信信道的稀疏性，因为它仅使用有限反馈信息(即，选定波束对)。
在一个实施方式中，小区的所有活动UE以及所有子载波聚类到K个独立集合基于子空间(对于所有/>且l＝1，...，L)之间的相似性(或“亲和性”)度量。基本上，原理是与高相似性度量相关联的两个子空间属于同一群集，而与低相似性度量相关联的两个子空间属于不同群集。例如，这种聚类可以包括以下步骤：
-计算维度为LJ×LJ(J为的基数)的相似性矩阵Ms，其第(i，j)个元素(i为行索引且j为列索引)在i≠j时等于/>且在i＝j时等于零；
-令D为对角矩阵，其第(i，i)个元素等于Ms的第i行的元素之和；构造矩阵Z＝D-1/ 2MSD-1/2：
-找到Z的K个最大特征值(在重复特征值的情况下，选择为彼此正交的相应特征向量)，并且通过将特征向量堆叠在列中来形成矩阵
-通过将M1的每一行归一化为单位长度，从M1形成矩阵M2；
-将M2的每一行视为中的一个点，通过尝试使失真最小化的聚类算法(例如，K-means算法)将这些行聚类为K个群集；以及
-当且仅当矩阵M2的行i被分配给群集j时，才将原始子空间分配给群集j。
以上，(对于i＝1，...，LJ)对应于子空间/>使得π(l，k)＝i。li是与接收机π(l，k)＝i相关的子载波。
以上过程输出K个集合如果/>则意味着对于子载波l，UEπ(l，k)在集合/>中。
可以使用任何数学相似性度量。下面给出两个子空间S1和S2之间的相似性度量sim1和sim2的两个示例：
其中，d1和d2分别是子空间S1和S2的尺寸；
其中，θm是子空间S1和S2的第m个主角。
当然，本发明不限于以上提出的算法类别。可以使用其它算法。例如，可以通过子空间的集合当中的随机抽取来形成集合。
在一个或多个实施方式中，可以根据所确定的用户集合联合确定RF预编码矩阵FRF的MU组/>并最终执行RF组合矩阵WRF，π(l，k)。图4是描述在本发明的可能实施方式中基于所确定的用户集合/>对MU组、RF预编码器FRF和RF组合器WRF，π(l，k)进行联合确定的流程图。
在下文中，RF预编码器FRF被视为K个RF预编码子矩阵FRF，k(对于k＝1，...，K)的级联，其中FRF，k是RF预编码器的与聚类集合的用户相对应的部分：FRF＝[FRF，1 ... F RF，K]。
如上所述，发射机可以针对小区的所有活动用户从UE接收401矩阵/> 和Dj[l]。发射机然后可以执行子空间/>到K个用户集合/>的聚类402。然后，联合确定过程可以例如通过在所有K个用户集合/>中随机抽取来初始化403MU组/>而开始。然后，优化过程的第一步骤404(即，图3的步骤302)可以包括通过以下处理对所有RF预编码子矩阵FRF，k(对于k＝1，...，K)的确定(并且最终对RF组合矩阵WRF，π(l，k)的确定，对于k＝1，...，K且l＝1，...，L)：优化预定义RF波束成形设计准则/>其中，MU组/>是固定的。步骤405对应于上面提出的优化过程的第二步骤(即，图3的步骤303)，在该第二步骤期间，通过优化预定义调度设计准则/>来确定MU组/>RF波束成形矩阵WRF，π(l，k)和FRF，k是固定的。可以交替地重复步骤404和405，直到满足预定收敛准则406为止。当满足收敛准则406时，可以输出407/>FRF，k和WRF，π(l，k)。
在最大化系统的平均宽带总速率的情况下，以下给出了这种联合确定过程的第一示例。假设针对小区的所有活动用户并且针对所有子载波l＝1，...，L的用户集合和矩阵/>和Dj[l]在发射机处是已知的。/>
由于信息论广播信道与其双倍多路访问信道之间的信息论双重性，所有子载波上的下行链路传输的总速率可能由于其在所有子载波上具有相等功率分配的双重上行链路传输而被限制地较低。因此，跨所有子载波的下行链路传输的容量可以通过以下方式被限制地较低：
其中，ρ是功率缩放常数。
假设聚类减少了不同群集集合之间的多用户干扰，则可以写为
因此，上述不等式的右手边可以通过以下表达式来近似：
根据信道矩阵的稀疏表示，可以将Hπ(l，k)[l]替换为先前表达式中的
因此，RF波束成形设计准则可以写为：
因此，可以按照以下执行根据该过程的步骤1/对RF预编码器和组合器的确定：
令且k＝1，...，K}并且令/>是集合/>其中，所有重复元素均被删除。/>表示/>的基数。定义映射函数：
其表示对于所有接收机/>是子载波l上的第个用户。/>
针对所有被调度用户，初始化RF组合器
对于所有l＝1，...，L和k＝1，...，K，令
初始化t＝0
当不满足收敛准则时，执行以下操作：
-对于k＝1，...，K，计算
tr(Xk)≤Lr
其中，det(M)是矩阵M的行列式
-对于计算
tr(Yi)≤Lr
t＝t+1
如果满足秩约束，则令且/>且，/>和/>在上述最大化问题中被获得，并且针对k＝1，...，K计算：
和/>
如果不满足秩约束，则对于k＝1，...，K执行以下随机化过程：
-生成随机高斯矩阵V1和V2，其中，V1和V2的每个分量都是独立的，并且根据分布被均匀分布(i.i.d.)
-令并且/>其中，/>和/>在上述最大化问题中被获得。执行/>和/>的奇异值分解(SVD)：
-定义：
/>
-将FRF，k和WRF，π(l，k)的每一列归一化，使它们成为单位向量。
-重复Nrand次随机化过程的上述步骤(Nrand是预定义整数)，选择得出所考虑的RF波束成形设计准则的最大值的一个。
在相应的码本和/>中找到使与FRF，k和WRF，π(l，k)的列的距离最小化的码字。
例如，可以通过随机选择RF组合码本中的/>的每一列来执行针对所有被调度用户的RF组合器/>的初始化。
在以上过程中，认为如果矩阵FRF，k和WRF，π(l，k)的秩等于则满足秩约束。实际上，在该情况下，最优解/>和/>的秩也等于/>如果矩阵FRF，k和WRF，π(l，k)中的至少一个具有不等于/>的秩，则认为不满足秩约束。
必须注意，Nrand越大，随机化过程越准确。
一直在最大化系统的平均宽带总速率的情况下，最大化的调度设计准则可以是：
已知RF预编码器和组合器在MU分组设计期间是固定的，上述优化是一种离散优化，其可以通过简单蛮力全搜索或高级方法(诸如，遗传算法)来求解。
在最大化最小接收等效信道增益的情况下，现在提供优化过程的第二示例。在这种情况下，可以将RF波束成形设计准则写为：
因此，可以按照以下执行根据以上过程的步骤1/对RF预编码器和组合器的确定：
令和/>按以上那样被定义；
针对所有被调度用户，对RF组合器进行初始化。
令对于所有l＝1，...，L且k＝1，...，K。
将t初始化为0。
当不满足收敛准则时，执行以下操作：
-对于k＝1，...，K，计算
tr(Xk)≤Lr
其中，tr(M)是矩阵M的迹
-对于计算
tr(Yi)≤Lr
t＝t+1
如果满足秩约束，则令且/>其中，/>和/>在上述最大化问题中被获得，并且针对k＝1，...，K计算：
和/>
如果不满足秩约束，则执行第一示例的随机过程
在相应码本和/>中找到码字，其使与FRF，k和WRF，π(l，k)的列的距离最小化。
可以如先前示例中那样执行针对所有被调度用户的RF组合器的初始化。以上过程的秩约束与先前示例的秩约束相似。
一直在最大化最小接收等效信道增益的情况下，最大化的调度设计准则可以是：
可以使用许多其它RF波束成形/调度设计准则。
例如，在宽带用户调度的情况下(即，每个被调度用户都占用所有子载波，并且不允许在不同子载波上分配不同用户的频率复用)，最大化的调度设计准则的示例是：
在调度的公平性问题的背景下，最大化的调度设计准则的示例是：
其中，απ(l，k)是与接收机π(l，k)相关的权重标量。
“在调度的公平性问题的背景下”是指以下含义。通过优化调度准则，具有潜在更高速率的UE更有可能被调度。从系统操作角度来看，这是“不公平的”，因为某些潜在低速率UE可能永远无法获得传输的机会。为了克服该问题，可以应用许多技术。以上设计准则是这样的技术的示例，如上所述，引入一些正加权因子απ(l，k)以调整用户的瞬时速率。例如，如果长时间未调度一个UE，则可以增加其加权因子。在这种情况下，即使用户具有较低速率，也更可能会在一段时间后被调度。
已知RF预编码器和组合器在MU分组设计期间是固定的，上述优化是一种离散优化，其可以通过简单蛮力全搜索或高级方法(诸如，遗传算法)来求解。
图5是实现本发明的设备的可能实施方式。
在该实施方式中，设备500包括计算机，该计算机包括存储器505，以存储可加载到电路中并且适于在由电路504运行程序指令时使电路504执行本发明的步骤的程序指令。
存储器505还可以存储用于执行如上所述的本发明的步骤的数据和有用信息。
电路504可以例如是：
-适于以计算机语言解释指令的处理器或处理单元，该处理器或处理单元可以包括包含指令的存储器，可以与包含指令的存储器相关联或附接到包含指令的存储器，或者
-处理器/处理单元和存储器的关联，所述处理器或处理单元适于以计算机语言解释指令，所述存储器包括所述指令，或
-电子卡，其中，在硅中描述本发明的步骤，或
-可编程电子芯片，诸如，FPGA芯片(用于现场可编程门阵列)。
例如，所述设备可以被包括在发射机中，并且根据本发明的一个实施方式，针对小区的所有活动用户并且针对所有子载波l＝1，...，L，计算机可以包括用于接收信道信息的输入接口503(例如与信道的离散表示相关的矩阵/>和Dj[l])、以及用于提供MU组、以及RF预编码和组合矩阵的输出接口506。
为了简化与计算机的交互，可以提供屏幕601和键盘602并将其连接到计算机电路604。
此外，图3中表示的流程图可以表示可以由位于发射机中的处理器执行的程序的全部或部分步骤。这样，图3可以对应于本发明的含义内的计算机程序的一般算法的流程图。

Claims (16)

1.一种混合模拟/数字波束成形方法，所述混合模拟/数字波束成形方法由计算机实现以用于在毫米波通信系统中实现模拟和数字预编码，所述毫米波通信系统包括能够在多个子载波上服务多个接收机的发射机，所述方法包括以下步骤：
-联合确定模拟预编码矩阵FRF和多个多用户组每个多用户组/>与所述多个子载波中的相应子载波l相关联，每个多用户组/>包含所述多个接收机中的针对相应子载波l上的数据传输被联合服务的多个接收机；
-对于所述多个子载波中的每个子载波l，由数字基带预编码器FBB[l]处理NS(l)个数据流
-利用发送RF链来处理所述数字基带预编码器FBB[l]的输出；以及
-使用所述模拟预编码矩阵FRF来处理所述发送RF链的输出以获得在所述多个子载波中的一个子载波上发送到所述多个接收机中的至少一个接收机的至少一个信号；
其中，所述模拟预编码矩阵FRF与所述多个多用户组的联合确定包括：
/a/关于所述模拟预编码矩阵FRF优化所述模拟预编码矩阵FRF和所述多用户组的波束成形函数/>所述多用户组/>是固定的；
/b/关于所述多用户组优化所述模拟预编码矩阵FRF和所述多用户组/>的调度函数所述模拟预编码矩阵FRF的值是固定的；
其中，/a/和/b/被迭代地重复，直到满足停止准则为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在/a/之后执行/b/，其中，在/a/中，在所述联合确定的先前迭代中获得所述多用户组并且其中，在/b/中，在/a/的当前迭代中获得所述模拟预编码矩阵FRF的值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在/a/之前执行/b/，其中，在/a/中，在/b/的当前迭代中获得所述多用户组并且其中，在/b/中，在所述联合确定的先前迭代中获得所述模拟预编码矩阵FRF的值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，通过使用模拟预编码码字集合来执行所述模拟预编码，其中，/a/包括：
-在不假设第一矩阵的列属于所述模拟预编码码字集合/>的情况下，确定优化所述波束成形函数/>的第一矩阵/>
-确定至少一个模拟预编码码字，每个所确定的模拟预编码码字使到所述第一矩阵的列的距离最小化；
-确定其列等于所确定的至少一个模拟预编码码字的模拟预编码矩阵FRF。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，所述方法还包括：确定至少一个模拟组合矩阵WRF，π(l，k)；
其中，所述波束成形函数和所述调度函数还是所述至少一个模拟组合矩阵WRF，π(l，k)的函数；
其中，/a/中的优化是关于所述模拟预编码矩阵FRF和所述至少一个模拟组合矩阵WRF，π(l，k)的所述波束成形函数的联合优化；
其中，/b/中的优化是利用所述至少一个模拟组合矩阵WRF，π(l，k)中的固定的模拟组合矩阵的值执行的，
其中，至少一个所确定的模拟组合矩阵WRF，π(l，k)还用于处理在所述多个子载波中的一个子载波上发送到所述多个接收机中的至少一个接收机的至少一个信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过使用模拟组合码字集合来执行所述模拟组合，其中，/a/包括：
-在不假设第二矩阵的列属于所述模拟组合码字集合/>的情况下，确定优化所述波束成形函数的第二矩阵/>
-确定至少一个模拟组合码字，每个所确定的模拟组合码字使到所述第二矩阵的列的距离最小化；
-确定其列等于所确定的至少一个模拟组合码字的模拟组合矩阵WRF，π(l，k)。
7.根据权利要求4所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-接收多个发送矩阵所述多个发送矩阵中的每个发送矩阵与所述多个接收机中的接收机π(l，k)和所述多个子载波中的子载波l相关联，其中，所述多个发送矩阵中的每个发送矩阵的列属于所述模拟预编码码字集合/>
-基于所述多个发送矩阵确定多个接收机集合/>每个接收机集合/>包括所述多个接收机中的一个或更多个接收机，所述一个或更多个接收机中的每个接收机与所述多个子载波中的一个子载波相关联；
其中，/a/包括：
-确定多个模拟预编码子矩阵FRF，k，每个模拟预编码子矩阵FRF，k对应于所述模拟预编码矩阵FRF中的与相应接收机集合中的接收机相关联的部分。
8.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-接收多个发送矩阵所述多个发送矩阵中的每个发送矩阵与所述多个接收机中的接收机π(l，k)和所述多个子载波中的子载波l相关联，其中，所述多个发送矩阵中的每个发送矩阵的列属于所述模拟预编码码字集合/>
-基于所述多个发送矩阵确定多个接收机集合/>每个接收机集合/>包括所述多个接收机中的一个或更多个接收机，所述一个或更多个接收机中的每个接收机与所述多个子载波中的一个子载波相关联；
其中，/a/包括：
-确定多个模拟预编码子矩阵FRF，k，每个模拟预编码子矩阵FRF，k对应于所述模拟预编码矩阵FRF中的与相应接收机集合中的接收机相关联的部分。
9.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-接收多个发送矩阵所述多个发送矩阵中的每个发送矩阵与所述多个接收机中的接收机π(l，k)和所述多个子载波中的子载波l相关联，其中，所述多个发送矩阵中的每个发送矩阵的列属于所述模拟预编码码字集合/>
-基于所述多个发送矩阵确定多个接收机集合/>每个接收机集合/>包括所述多个接收机中的一个或更多个接收机，所述一个或更多个接收机中的每个接收机与所述多个子载波中的一个子载波相关联；
其中，/a/包括：
-确定多个模拟预编码子矩阵FRF，k，每个模拟预编码子矩阵FRF，k对应于所述模拟预编码矩阵FRF中的与相应接收机集合中的接收机相关联的部分。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，所述多个发送矩阵中的每个发送矩阵是模拟预编码码字，并且与所述多个子载波中的相应子载波和所述多个接收机中的相应接收机相关联。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，每个发送矩阵对应于相应子载波上的相应接收机与所述发射机之间的相应有效通信路径。
12.根据权利要求7至9、11中任一项所述的方法，其中，基于所述多个发送矩阵中的至少两个发送矩阵之间的相似性度量来确定所述多个接收机集合/>
13.根据权利要求10所述的方法，其中，基于所述多个发送矩阵中的至少两个发送矩阵之间的相似性度量来确定所述多个接收机集合/>
14.一种毫米波通信系统的发射机，所述毫米波通信系统能够进行模拟预编码和模拟组合，所述发射机能够在多个子载波上服务多个接收机，所述发射机包括：
-用于联合确定模拟预编码矩阵FRF和多个多用户组的电路，每个多用户组/>与所述多个子载波中的相应子载波l相关联，每个多用户组/>包含所述多个接收机中的针对在所述相应子载波l上的数据传输被联合服务的多个接收机；
-至少一个电路，所述至少一个电路对于所述多个子载波中的每个子载波l，由数字基带预编码器FBB[l]处理NS(l)个数据流并且
-处理发送Rf链的输出；
-用于通过使用所述模拟预编码矩阵FRF来处理所述发送RF链的输出以获得在所述多个子载波中的一个子载波上发送到所述多个接收机中的至少一个接收机的至少一个信号的电路；并且
其中，用于联合确定所述模拟预编码矩阵FRF和所述多个多用户组的电路被配置成：
/a/关于所述模拟预编码矩阵FRF优化所述模拟预编码矩阵FRF和所述多用户组的波束成形函数/>所述多用户组/>是固定的；
/b/关于所述多用户组优化所述模拟预编码矩阵FRF和所述多用户组/>的调度函数所述模拟预编码矩阵FRF的值是固定的；
其中，迭代地重复/a/和/b/，直到满足停止准则为止。
15.一种毫米波通信系统，所述毫米波通信系统能够进行模拟预编码和模拟组合，所述系统包括根据权利要求14所述的发射机，所述发射机能够在多个子载波上服务多个接收机。
16.一种非暂时性计算机可读存储介质，其上存储有包括程序指令的计算机程序，所述计算机程序能够被加载到数据处理单元中并且适于当所述计算机程序由数据处理设备运行时使所述数据处理单元执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
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