CN113346933B - 基于等效基带信道增益的大规模mimo多用户调度方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度方法，以原始信道矩阵计算模拟合并矩阵，并由模拟合并矩阵与原始信道矩阵来预估各用户的等效基带信道增益，以等效基带信道增益作为用户调度的准则，充分利用了大规模MIMO的信道正交特性来处理用户间干扰问题，相比传统的用户调度算法，无需事先进行用户分组，复杂度低，且在大规模MIMO下能够逼近最优的穷搜调度算法，有利于实际系统中对通信实时性要求的满足。包括：获取用户信道矩阵，针对小区中每个待调度用户，计算其模拟合并矩阵，利用模拟合并矩阵和原始信道矩阵信息计算各用户的等效基带信道增益；接着将各用户按等效基带信道增益大小进行排序，并选取增益较大的用户作为本轮调度用户。

Description

基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度方法及系统
技术领域
本发明涉及基带信道增益技术领域，特别是涉及一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度方法及系统。
背景技术
5G通信网络新空口采用了大规模MIMO技术，不同于LTE系统，大规模MIMO不能继续沿用原有的全数字波束成形方法，而需采用混合波束成形架构。在小区下行链路中，基站能够生成的波束流数是固定的，且受基站端射频链路数的限制。由于每台用户终端最少可接收一个数据流，则基站在同一时隙下能够服务的用户数目的上限就是波束流数。当同一个小区中待服务的用户超过该上限时，就需要对用户进行调度管理，根据频谱效率最大化或用户公平性等标准，在每一个时隙下从所有用户中选择一个用户子集进行服务。合理的用户调度算法能够减少小区中的用户间干扰，并充分利用多用户的空间复用增益，进一步提高大规模MIMO系统的性能。
值得注意的是，在具有混合波束形成的大规模MIMO系统中，用户调度与没有模拟波束成形的LTE系统略有不同。混合波束形成结构为用户调度提供了一种新的调度资源，即波束。由于实际场景中模拟波束成形通常采用基于码本的波束训练，用户调度变成了用户选择和波束选择的联合优化，更加复杂。穷举搜索可以得到最优调度结果，但即使是用户规模中等的情况下也会带来非常大的计算量。
发明内容
本发明提供一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度方法及系统，实现快速用户调度，满足通信的实时性要求，低复杂度的用户调度算法在实际系统中更具有实用价值。
本发明第一方面提供一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度方法，包括：
采用全连接混合波束成形架构对单小区多用户广播信道的基站端与用户端进行配置；
获取小区待服务用户集合，并从所述待服务用户集合中挑选用户子集；
计算所述用户子集的等效基带信道增益；
对各用户的等效基带信道增益进行降序排列，选取满足第一预设规则的用户作为调度用户。
进一步地，所述计算所述用户子集的等效基带信道增益，具体地：
通过对信道方差矩阵进行特征值分解，结合恒模约束条件获得用户模拟合并矩阵，根据各用户的原始信道矩阵和模拟合并矩阵得到等效基带信道增益。
进一步地，所述计算所述用户子集的等效基带信道增益，包括：
根据信道估计获得小区中每个待调度用户的信道矩阵，并对所述信道矩阵进行预处理及特征值分解，得到第一特征向量矩阵；
取信道矩阵中满足第二预设规则的特征值组成第二特征向量矩阵；
计算所述第二特征向量矩阵的相位值矩阵，设定相位值矩阵的幅度为预设阈值，得到用户的模拟合并器；
根据所述模拟合并器及所述信道矩阵得到等效基带信道增益。
进一步地，所述对各用户的等效基带信道增益进行降序排列，选取满足第一预设规则的用户作为调度用户，包括：
对各用户的等效基带信道增益进行降序排列，取前K个等效基带信道增益最大的用户，作为小区本轮调度的用户。
进一步地，所述对单小区多用户广播信道的基站端与用户端进行配置，包括：
对每个用户端配置NMS根天线和MMS根射频链路。
本发明第二方面提供一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度系统，包括：
配置模块，用于采用全连接混合波束成形架构对单小区多用户广播信道的基站端与用户端进行配置；
用户子集挑选模块，用于获取小区待服务用户集合，并从所述待服务用户集合中挑选用户子集；
等效基带信道增益计算模块，用于计算所述用户子集的等效基带信道增益；
调度用户选取模块，用于对各用户的等效基带信道增益进行降序排列，选取满足第一预设规则的用户作为调度用户。
进一步地，所述等效基带信道增益计算模块，还用于：
通过对信道方差矩阵进行特征值分解，结合恒模约束条件获得用户模拟合并矩阵，根据各用户的原始信道矩阵和模拟合并矩阵得到等效基带信道增益。
进一步地，所述等效基带信道增益计算模块，还用于：
根据信道估计获得小区中每个待调度用户的信道矩阵，并对所述信道矩阵进行预处理及特征值分解，得到第一特征向量矩阵；
取信道矩阵中满足第二预设规则的特征值组成第二特征向量矩阵；
计算所述第二特征向量矩阵的相位值矩阵，设定相位值矩阵的幅度为预设阈值，得到用户的模拟合并器；
根据所述模拟合并器及所述信道矩阵得到等效基带信道增益。
进一步地，所述调度用户选取模块，还用于：
对各用户的等效基带信道增益进行降序排列，取前K个等效基带信道增益最大的用户，作为小区本轮调度的用户。
进一步地，所述配置模块，还用于：
对每个用户端配置NMS根天线和MMS根射频链路。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：
本发明提供一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度方法及系统，其中方法包括：采用全连接混合波束成形架构对单小区多用户广播信道的基站端与用户端进行配置；获取小区待服务用户集合，并从所述待服务用户集合中挑选用户子集；计算所述用户子集的等效基带信道增益；对各用户的等效基带信道增益进行降序排列，选取满足第一预设规则的用户作为调度用户。本发明充分利用了大规模MIMO的信道正交特性，采用等效基带信道增益来反映用户信道质量，能够以低复杂度逼近最优穷搜算法的调度效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明某一实施例提供的一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度方法的流程图；
图2是本发明另一实施例提供的一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度方法的流程图；
图3是本发明某一实施例提供的一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度方法的应用场景示意图；
图4是本发明某一实施例提供的本发明调度方法与现有其他调度方法的复杂度对比示意图；
图5是本发明某一实施例提供的本发明调度方案结合波束成形算法后，ULA阵列下总频谱效率随信噪比变化示意图；
图6是本发明某一实施例提供的采用本发明调度方案结合波束成形算法后，总频谱效率随小区待调度用户规模变化示意图；
图7是本发明某一实施例提供的一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度系统的装置图；
图8是本发明某一实施例提供的一种电子设备的结构图。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
第一方面。
请参阅图1，本发明一实施例提供一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度方法，包括：
S10、采用全连接混合波束成形架构对单小区多用户广播信道的基站端与用户端进行配置。
在某一具体实施方式中，所述对单小区多用户广播信道的基站端与用户端进行配置，包括：
对每个用户端配置NMS根天线和MMS根射频链路。
S20、获取小区待服务用户集合，并从所述待服务用户集合中挑选用户子集。
S30、计算所述用户子集的等效基带信道增益。
在某一具体实施方式中，所述步骤S30包括：
通过对信道方差矩阵进行特征值分解，结合恒模约束条件获得用户模拟合并矩阵，根据各用户的原始信道矩阵和模拟合并矩阵得到等效基带信道增益。
具体地：根据信道估计获得小区中每个待调度用户的信道矩阵，并对所述信道矩阵进行预处理及特征值分解，得到第一特征向量矩阵；
取信道矩阵中满足第二预设规则的特征值组成第二特征向量矩阵；
计算所述第二特征向量矩阵的相位值矩阵，设定相位值矩阵的幅度为预设阈值，得到用户的模拟合并器；
根据所述模拟合并器及所述信道矩阵得到等效基带信道增益。
S40、对各用户的等效基带信道增益进行降序排列，选取满足第一预设规则的用户作为调度用户。
在某一具体实施方式中，所述步骤S40包括：
对各用户的等效基带信道增益进行降序排列，取前K个等效基带信道增益最大的用户，作为小区本轮调度的用户。
在某一具体实施例中，本发明一实施例提供一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度方法，包括：
S1、针对单小区多用户广播信道，基站端与用户端均采用全连接混合波束成形架构。基站端支持K个用户同时接入；每个用户终端均配置NMS根天线和MMS根射频链路；
S2、记小区待服务用户集合为
Figure BDA0003100530470000071
其中包含N个用户，用户调度问题即是在
Figure BDA0003100530470000072
中挑选一个子集
Figure BDA0003100530470000073
S3、等效基带信道增益计算步骤，通过对信道方差矩阵进行特征值分解，结合恒模约束条件获得用户模拟合并矩阵，根据各用户的原始信道矩阵和模拟合并矩阵得到等效基带信道增益；
具体地，在所述的S3等效基带信道增益计算步骤中，用户模拟合并器的获取步骤，具体包括：
S31、根据信道估计获得小区中每个待调度用户的信道矩阵，记用户i的信道矩阵为Hi，计算
Figure BDA0003100530470000074
对
Figure BDA0003100530470000075
进行特征值分解，得到特征向量矩阵Ui。
S32、取
Figure BDA0003100530470000076
最大的前MMS个特征值对应的特征向量，记为
Figure BDA0003100530470000077
S33、取
Figure BDA0003100530470000078
的相位值矩阵，由于发射功率恒定，相位值矩阵的幅度为
Figure BDA0003100530470000079
则用户i的模拟合并器Wi为
Figure BDA00031005304700000710
用户可达等效基带信道增益估算方法为：
Figure BDA0003100530470000081
S4、获取调度用户子集步骤，对所有
Figure BDA0003100530470000082
按大小进行排序，取前K个等效基带信道增益最大的用户，作为小区本轮调度的用户。
具体地，在所述的S4获取调度用户子集步骤中，用户子集的获取具体步骤为：
S41、对小区中所有用户i，根据等效信道增益
Figure BDA0003100530470000083
的大小进行升序或降序排列
S42、根据小区基站可调度用户数K，取前K个等效基带信道增益最大的用户，作为小区本轮调度的用户。
请参阅图2，在另一具体实施例中，本实施公开了一种大规模MIMO多用户调度方案，该用户调度方案包括以下步骤：
S1、系统配置
针对单小区多用户下行链路场景，基站端与用户端均采用全连接混合波束成形架构。基站端配置NBS根天线，MBS根射频链路，支持K个用户同时接入；每个用户终端配置NMS根天线，MMS根射频链路，支持并行的Ns个数据流，满足Ns≤MMS≤NMS，KNs≤MBS≤NBS；
如图3所示，在本实施例中，小区待服务用户数为20，给基站端配置64根天线和6根射频链路，每个用户设备均配置4根天线和2根射频链路，此多用户大规模MIMO系统的基站端支持同时发送6个数据流，可同时服务于3个用户，每个用户接收2个数据流；
S2、计算等效基带信道增益
S2.1、获取信道矩阵：
利用信道估计方法获得用户i与基站之间的信道矩阵，矩阵维度为NMS×NBS，信道矩阵中的每个元素hm，n表示发射天线n到接收天线m之间的子信道增益。信道矩阵的形式如下所示：
Figure BDA0003100530470000091
S2.2、计算模拟合并矩阵：
为了获得用户i的模拟合并器，计算
Figure BDA0003100530470000092
对
Figure BDA0003100530470000093
进行特征值分解，其中，上角标H表示共轭转置符号，得到特征向量矩阵Ui；
选取
Figure BDA0003100530470000094
最大的前MMS个特征值对应的特征向量，记为
Figure BDA0003100530470000095
Figure BDA0003100530470000096
为NMS×MMS维的矩阵；
Figure BDA0003100530470000097
其中，angle表示对矩阵元素取相位；
S2.3、计算各用户等效基带信道增益：
用户i的可达等效基带信道增益
Figure BDA0003100530470000098
其中，||·||F表示取F范数；
S3、选取调度用户集
将各用户等效基带信道增益
Figure BDA0003100530470000099
按大小进行排列，选取增益最大的前K个用户，作为本轮调度的用户集合。
在本实施例中，对系统进行了数学建模仿真，并结合混合块对角化波束成形算法，在采用ULA阵列的毫米波信道下对调度算法进行频谱效率性能对比，如图4、图5和图6所示。
从图4的对比可以看出，本发明用户调度方案复杂度远远低于最优的穷搜调度算法。
从图5的对比可以看出，本发明用户调度方案的频谱效率性能只略低于穷搜调度。
图6是采用256×16天线，信噪比SNR＝0dB时，基站每时隙调度8个用户的情况下，调度效果随小区待调度用户集合规模的变化。从图6可以看出，相比随机调度，本发明调度方案能够充分发挥多用户的优势；当用户数达到一定的规模(在此仿真条件下，临界值Nc≈50)时，可达频谱效率性能逐渐趋于稳定。
综上所述，本发明提出的一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度方案，其特点是先由每个用户的CSI信道矩阵来计算各用户的模拟合并器矩阵，接着用模拟合并器与原始信道矩阵计算各用户的等效基带信道增益，并以等效基带信道增益作为调度用户的准则。本发明所提的优势在于，充分利用了大规模MIMO的信道正交特性，采用等效基带信道增益来反映用户信道质量，能够以低复杂度逼近最优穷搜算法的调度效果。
第二方面。
请参阅图7，本发明一实施例提供一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度系统，包括：
配置模块10，用于采用全连接混合波束成形架构对单小区多用户广播信道的基站端与用户端进行配置。
在某一具体实施方式中，所述配置模块10，还用于：
对每个用户端配置NMS根天线和MMS根射频链路。
用户子集挑选模块20，用于获取小区待服务用户集合，并从所述待服务用户集合中挑选用户子集。
等效基带信道增益计算模块30，用于计算所述用户子集的等效基带信道增益。
在某一具体实施方式中，所述等效基带信道增益计算模块30，还用于：
通过对信道方差矩阵进行特征值分解，结合恒模约束条件获得用户模拟合并矩阵，根据各用户的原始信道矩阵和模拟合并矩阵得到等效基带信道增益。
具体的：根据信道估计获得小区中每个待调度用户的信道矩阵，并对所述信道矩阵进行预处理及特征值分解，得到第一特征向量矩阵；
取信道矩阵中满足第二预设规则的特征值组成第二特征向量矩阵；
计算所述第二特征向量矩阵的相位值矩阵，设定相位值矩阵的幅度为预设阈值，得到用户的模拟合并器；
根据所述模拟合并器及所述信道矩阵得到等效基带信道增益。
调度用户选取模块40，用于对各用户的等效基带信道增益进行降序排列，选取满足第一预设规则的用户作为调度用户。
在某一具体实施方式中，所述调度用户选取模块40，还用于：
对各用户的等效基带信道增益进行降序排列，取前K个等效基带信道增益最大的用户，作为小区本轮调度的用户。
第三方面。
本发明提供了一种电子设备，该电子设备包括：
处理器、存储器和总线；
所述总线，用于连接所述处理器和所述存储器；
所述存储器，用于存储操作指令；
所述处理器，用于通过调用所述操作指令，可执行指令使处理器执行如本申请的第一方面所示的一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度方法对应的操作。
在一个可选实施例中提供了一种电子设备，如图8所示，图8所示的电子设备5000包括：处理器5001和存储器5003。其中，处理器5001和存储器5003相连，如通过总线5002相连。可选地，电子设备5000还可以包括收发器5004。需要说明的是，实际应用中收发器5004不限于一个，该电子设备5000的结构并不构成对本申请实施例的限定。
处理器5001可以是CPU，通用处理器，DSP，ASIC，FPGA或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本申请公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。处理器5001也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等。
总线5002可包括一通路，在上述组件之间传送信息。总线5002可以是PCI总线或EISA总线等。总线5002可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图8中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
存储器5003可以是ROM或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，RAM或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、光碟存储(包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等)、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。
存储器5003用于存储执行本申请方案的应用程序代码，并由处理器5001来控制执行。处理器5001用于执行存储器5003中存储的应用程序代码，以实现前述任一方法实施例所示的内容。
其中，电子设备包括但不限于：移动电话、笔记本电脑、数字广播接收器、PDA(个人数字助理)、PAD(平板电脑)、PMP(便携式多媒体播放器)、车载终端(例如车载导航终端)等等的移动终端以及诸如数字TV、台式计算机等等的固定终端。
第四方面。
本发明提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本申请第一方面所示的一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度方法。
本申请的又一实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当其在计算机上运行时，使得计算机可以执行前述方法实施例中相应内容。

Claims (4)

1.一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度方法，其特征在于，包括：
采用全连接混合波束成形架构对单小区多用户广播信道的基站端与用户端进行配置；
获取小区待服务用户集合，并从所述待服务用户集合中挑选用户子集；
计算所述用户子集的等效基带信道增益；
对所述用户子集的各用户的等效基带信道增益进行降序排列，选取满足第一预设规则的用户作为调度用户；
其中，所述对单小区多用户广播信道的基站端与用户端进行配置，包括：对每个用户i配置NMS根天线和MMS根射频链路；
所述计算所述用户子集的等效基带信道增益，包括：
根据信道估计获得小区中每个待调度用户的原始信道矩阵，记用户i的原始信道矩阵为Hi，计算信道方差矩阵
Figure FDA0003420008270000011
对信道方差矩阵
Figure FDA0003420008270000012
进行特征值分解，得到特征向量矩阵Ui；
取
Figure FDA0003420008270000013
最大的前MMS个特征值对应的特征向量，记为
Figure FDA0003420008270000014
取
Figure FDA0003420008270000015
的相位值矩阵，由于发射功率恒定，相位值矩阵的幅度为
Figure FDA0003420008270000016
则用户i的模拟合并矩阵Wi为
Figure FDA0003420008270000017
用户i的等效基带信道增益为：
Figure FDA0003420008270000018
2.如权利要求1所述的一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度方法，其特征在于，所述对各用户的等效基带信道增益进行降序排列，选取满足第一预设规则的用户作为调度用户，包括：
对各用户的等效基带信道增益进行降序排列，取前K个等效基带信道增益最大的用户，作为小区本轮调度的用户。
3.一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度系统，其特征在于，包括：
配置模块，用于采用全连接混合波束成形架构对单小区多用户广播信道的基站端与用户端进行配置；
用户子集挑选模块，用于获取小区待服务用户集合，并从所述待服务用户集合中挑选用户子集；
等效基带信道增益计算模块，用于计算所述用户子集的等效基带信道增益；
调度用户选取模块，用于对所述用户子集的各用户的等效基带信道增益进行降序排列，选取满足第一预设规则的用户作为调度用户；
其中，所述配置模块，还用于：对每个用户i配置NMS根天线和MMS根射频链路；
所述等效基带信道增益计算模块，还用于：
根据信道估计获得小区中每个待调度用户的原始信道矩阵，记用户i的原始信道矩阵为Hi，计算信道方差矩阵
Figure FDA0003420008270000021
对信道方差矩阵
Figure FDA0003420008270000022
进行特征值分解，得到特征向量矩阵Ui；
取
Figure FDA0003420008270000023
最大的前MMS个特征值对应的特征向量，记为
Figure FDA0003420008270000024
取
Figure FDA0003420008270000025
的相位值矩阵，由于发射功率恒定，相位值矩阵的幅度为
Figure FDA0003420008270000026
则用户i的模拟合并矩阵Wi为
Figure FDA0003420008270000027
用户i的等效基带信道增益为：
Figure FDA0003420008270000028
4.如权利要求3所述的一种基于等效基带信道增益的大规模MIMO多用户调度系统，其特征在于，所述调度用户选取模块，还用于：
对各用户的等效基带信道增益进行降序排列，取前K个等效基带信道增益最大的用户，作为小区本轮调度的用户。
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