多用户毫米波通信系统的波束分配方法及其装置和系统与流程

本发明涉及一种多用户毫米波通信系统的波束分配方法及其装置和系统，属于无线通信技术领域。

背景技术：

随着移动智能终端设备的普及，现有的6ghz以下频段无线通信已经无法满足快速增长的数据流量需求。毫米波频段(30ghz～300ghz)因其大量的频带资源优势，成为实现10gbps吞吐量的室内无线局域网和第五代移动通信(5g)的关键频段，得到了工业界专家学者们的广泛关注与研究。为进一步提高系统吞吐量并支持多流传输，毫米波通信将采用多输入多输出(massiveinputmassiveoutput,mimo)技术。在传输过程中采用时分双工(timedivisionduplexing,tdd)通信机制，上行训练和数据传输都在同一段相干时间内完成，利用信道互易性，信道状态信息可以通过上行训练获得。

传统微波通信系统的预编码主要采用数字基带处理，要求每个天线都有专用的基带和射频(radiofrequency,rf)硬件结构，这在拥有大规模天线阵列的毫米波系统中是不可能实现的；而模拟预编码结构可以减少器件个数，降低功耗，但是受限于相移器的量化精度，这种预编码结构只能得到次优的性能，且无法处理用户间干扰；近年来，许多文献提出模拟域与数字域混合的预编码结构，发射信号首先在基带域经过数字预编码处理，然后在射频域经过模拟预编码处理，模拟预编码通常是由只与相位有关的模拟相移器构成。通过采用混合预编码结构，可以达到用有限的rf链路驱动整个大规模天线阵列的效果，从而大大降低整个毫米波通信系统的功耗、成本以及复杂度。

在多用户毫米波mimo系统中，基站通常采用混合预编码结构，而每个用户因受限于单个rf链路，采用模拟预编码结构。在现有的技术中，基站与所有待服务用户通过波束搜索，选出增益最大的路径，利用这些路径信息进行模拟预编码设计，再将基站模拟预编码矩阵、实际信道和所有用户的模拟预编码向量组合为下行等效信道矩阵，进行数字预编码设计。这种方案虽然考虑到多用户干扰，但忽视了由于基站分配给不同用户相同的发送码字导致下行等效信道矩阵不满秩，进而影响数字预编码矩阵的干扰消除效果这一问题。还有技术提出，通过选取aod区分度高的用户进行服务，可降低用户间干扰，但这种方法限制了可同时服务用户数目，用户的和速率大大降低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种多用户毫米波通信系统的波束分配方法及其装置和系统，该方法充分利用用户与基站之间的多径信息，在保证基站为所有服务用户分配互不相同的发送码字的前提下，使得可同时服务用户数目最多，以提升用户的和速率。

其中，波束分配具体是指：基站经波束搜索获得所有用户的多径信息以后，为每个可服务用户分配基于发射角(angleofdeparture,aod)的发送码字，并将基于到达角(angleofarrival,aoa)的接收码字信息反馈给用户；多用户与基站同时通信时的下行等效信道矩阵由基站模拟预编码矩阵、真实信道及多用户模拟合并向量构成。下行等效信道矩阵的秩具体是指：基站为所有服务用户分配的互不相同的发送码字的数目。

分配原则为：在满足多用户同时与基站通信时下行等效信道矩阵满秩且秩最大的前提下，最大化所有用户的和速率。

本发明的目的是这样实现的：

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种多用户毫米波通信系统的波束分配方法，该方法包含以下步骤：

步骤1、k个用户同时与基站进行上行波束搜索，获得所有用户与基站之间的多径信息，并将每个用户的多径信息按照信道增益从大到小的顺序排列；定义集合其中表示所有用户所有路径的信道增益构成的集合，pk表示第k个用户所有路径的信道增益构成的集合，kl表示第k个用户的多径数目；同时，基站在进行波束搜索时，获取了每个用户每条路径基于发射角(aod)的发送码字、基于到达角(aoa)的接收码字信息，定义分别表示第k个用户第l条路径的发送码字与接收码字；

步骤2、选取每个用户多条路径中信道增益最大项，构成集合对应的每条路径发送码字构成集合接收码字构成集合比较集合s中所有元素大小，选取最大项设为对应的发送码字设为接收码字设为

步骤3、判断第kmax个用户与基站间可选路径是否为1，若是，则执行步骤5；否则执行步骤4；

步骤4、若存在且在满足要求的用户中，存在仅有一条路径可选的用户，则执行步骤6；否则，执行步骤5；

步骤5、基站对第kmax个用户分配发送码字并将接收码字的信息反馈给第kmax个用户，令k←k-1，去除集合中用户所有信道信息，以及其它用户中发送码字为的路径，再对集合中剩下的所有元素重新整合，执行步骤7；

步骤6、将所有与第kmax用户使用相同发送码字且仅有一条可选路径的用户构成集合其中j表示满足要求的用户总数，表示第singlek个用户与基站间的信道增益；比较r中各元素大小，选取最大项并设为基站对第个用户分配发送码字并将接收码字的信息反馈给第个用户，令k←k-1，去除集合中用户所有的信道信息，以及其它用户中发送码字为的路径，再对集合中剩下的所有元素重新整合，执行步骤7；

步骤7、若k＝0或者波束分配结束；否则，返回执行步骤2。

根据本发明优选的，步骤1中，所述所有用户与基站进行上行通信时信道的多径信息，采用的方式为：依据天线数目分别在用户端和基站端设计模拟预编码码本，码本中的码字分别携带用户端基于aod的引导向量信息及基站端基于aoa的引导向量信息，利用现有技术，通过上行导频训练，估计出k个用户与基站间的上行信道多径信息；由信道互易性，即下行信道是上行信道的转置，下行通信时基站端基于aod的发送码字为上行通信时基于aoa的接收码字的共轭，用户端基于aoa的接收码字为上行通信时基于aod的发送码字的共轭；需要指出：由于所述码字数目有限(通常码字数目等于天线数目)，当用户数目较多时，基站可能为不同用户的路径选用相同的码字。

本发明一种多用户毫米波通信系统的波束分配装置，所述波束分配装置包括：

波束搜索模块，用于获取信道增益集合获取每个用户与基站间每条路径的码字信息；

初始化选取模块，用于选取每个用户信道增益最大路径，构成集合对应路径发送码字集合接收码字集合比较集合s中所有元素大小，选取最大项设为对应的发送码字设为接收码字设为

路径数目判断模块，用于判断第kmax个用户与基站间可选路径是否为1；

单径优先判断模块，用于判断是否存在且满足条件的用户中是否存在仅有一条路径可选的用户；

波束分配模块，用于基站对第kmax个用户分配发送码字并将接收码字的信息反馈给第kmax个用户；

单径用户波束分配模块，用于将所有与第kmax用户使用相同发送码字且仅有一条可选路径的用户构成集合比较r中各元素大小，选取最大项并设为基站对第个用户分配发送码字将接收码字的信息反馈给第个用户；

调整更新模块，用于更新k←k-1，去除集合中已选用户的所有路径信息，以及其它用户中发送码字为的路径，再对集合中剩下的所有元素重新整合；

循环终止判断模块，用于判断是否k＝0或以循环或终止进程。

一方面，本发明提供了一种多用户毫米波通信的波束分配系统，其包括使用混合预编码结构的多用户毫米波上行通信的波束分配系统和设置在该系统中的上述波束分配装置。所述使用混合预编码结构的多用户毫米波上行通信的波束分配系统的波束分配过程包括：通过上行波束搜索，所有k个用户利用预设发送码字对应的模拟预编码向量，发送导频序列进入无线信道，基站利用预设接收码字对应的模拟合并矩阵接收导频信号，根据所获信号能量大小及对应的码字组合，基站为多用户毫米波上行通信进行波束分配，其中，基站的信号覆盖k个用户，基站端的数字预编码用来降低多用户干扰。

另一方面，本发明还提供了一种多用户毫米波通信的波束分配系统，其包括使用混合预编码结构的多用户毫米波下行通信的波束分配系统和设置在该系统中的上述波束分配装置。所述使用混合预编码结构的多用户毫米波下行通信的波束分配系统的波束分配过程包括：通过上行波束搜索，所有k个用户利用预设发送码字对应的模拟合并向量，发送导频序列进入无线信道，基站利用预设接收码字对应的模拟预编码矩阵接收导频信号，根据所获信号能量大小及对应的码字组合，基站为多用户毫米波下行通信进行波束分配，其中，基站的信号覆盖k个用户，基站端的数字预编码用来降低多用户干扰。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1)本发明充分利用多径信息，在保证基站为所有服务用户分配互不相同的发送码字的前提下，即下行等效信道矩阵满秩的前提下，使得可同时服务用户数目最多，同时大大提升了用户的和速率；

2)本发明中提出的波束分配方法，既保证了每个波束尽可能地分配给信道增益最大的用户，又充分考虑到可同时服务用户的数目，优先将波束分配给仅有一条径的用户。采用该算法，大大降低了通信系统的复杂度，提高了计算效率，且效果显著。

附图说明

图1是本发明所适用的多用户毫米波通信系统的结构示意图；

图2是本发明多用户毫米波通信的波束分配方法的流程图；

图3是本发明多用户毫米波通信的波束分配装置的结构示意图；

图4是本发明与两种传统预编码方案在用户数目改变的情况下，用户的和速率的变化对比图；

图5是本发明与两种传统预编码方案在不同信噪比条件下用户的和速率变化对比图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例

本发明适用于多用户毫米波通信系统混合预编码过程，系统结构如图1所示，该系统包含一个基站和k个用户。基站配有nbs根天线，nrf个rf链路(nbs＞＞nrf＞1)，rf链路通过相互独立的数据流与k个用户同时进行通信，每个rf链路服务一个用户。每个用户配有nms根天线(nbs＞＞nms)，以及一个rf链路。基站采用多用户混和预编码结构，而用户只进行模拟波束成型。基站与第k个用户之间的信道可表示为

其中，是第k个用户在第l条路径的信道衰落系数，

和表示基站和用户在第l条路径的发射引导向量与接收引导向量。

对于均匀线性天线阵列(uniformlineararrays,ula)，定义且

其中，a∈{nbs,nms}表示天线阵列中天线的数目，定义δ表示基站端的物理发射角(aod)或用户端的物理到达角(aoa)，λ表示信号波长，d表示天线单元之间的间距，令d＝λ/2。

如图1所示，考虑毫米波mimo系统的下行链路数据传输，基站通过数字预编码矩阵fbb和模拟预编码矩阵frf对数据向量d＝[d1,d2,…,dk]^t进行预编码处理，其中，基站数字预编码矩阵在基频域处理传送数据；基站模拟预编码矩阵由模拟相移器实现，在射频域处理传送数据；数据向量总传输功率约束为p，功率均等分配给各传输数据，即将得到的向量s＝frffbbd同时发送给k个用户。第k个用户接收到的信号向量yk表示为：

yk＝hkfrffbbd+nk(3)

其中，nk表示下行链路高斯噪声，hk表示基站与第k个用户之间的信道。第k个用户利用接收合并向量wk对接收到的信号进行处理，得到初始数据dk的估计

其中，数字预编码矩阵fbb用来降低用户间干扰；frf矩阵的每一列k代表一个天线加权向量，该向量的每一个元素都具有相同的模值(恒包络约束)，并且调节基站天线的相位使得基站天线阵列指向特定方向；表示第k个用户的接收合并向量同样为天线加权向量，与具有相同的约束。此外，预编码矩阵不提供功率增益，因此

为设计最优的基站数字预编码矩阵fbb、模拟预编码矩阵frf以及每个用户的接收向量wk，普遍采用的性能指标是系统的和速率。给定处理后的信号如式(4)所示，对于第k个用户，可达速率表示为

因此，系统的和速率表示为最大化rsum需要对frf、fbb和wk,k＝1,2,..,k综合优化。

基于本发明提出的波束分配方法，设计混合预编码的流程如下：

首先，k个用户同时与基站进行上行波束搜索，获得所有用户与基站进行上行通信时信道的多径信息，采用的方式为：依据天线数目分别在用户端和基站端设计模拟预编码码本，码本中的码字分别携带用户端基于aod的引导向量信息及基站端基于aoa的引导向量信息，通常，码本是由形式如式(2)的引导向量u(a,(-1+(2k-1))/a),k＝1,2,…,a构成的集合，码字为集合中的元素。利用现有技术，通过上行导频训练，估计出k个用户与基站间的上行信道多径信息。由信道互易性，即下行信道是上行信道的转置，下行通信时基站端基于aod的发送码字为上行通信时基于aoa的接收码字的共轭，用户端基于aoa的接收码字为上行通信时基于aod的发送码字的共轭。需要指出：由于码字数目有限，当用户数目较多时，基站可能为不同用户的路径选用相同的码字。

接着，基站基于获得的多径信息，对所有用户进行波束分配，如图2所示，具体分配流程包括以下步骤：

步骤1、k个用户同时与基站进行上行波束搜索，获得所有用户与基站之间的多径信息，并将每个用户的多径信息按照信道增益从大到小的顺序排列。定义集合其中表示所有用户所有路径的信道增益构成的集合，pk表示第k个用户所有路径的信道增益构成的集合，kl表示第k个用户的多径数目。同时，基站在进行波束搜索时，获取了每个用户每条路径基于发射角(aod)的发送码字、基于到达角(aoa)的接收码字信息，定义分别表示第k个用户第l条路径的发送码字与接收码字。

步骤2、选取每个用户多条路径中信道增益最大项，构成集合对应的每条路径发送码字构成集合接收码字构成集合比较集合s中所有元素大小，选取最大项设为对应的发送码字设为接收码字设为

步骤3、判断第kmax个用户与基站间可选路径是否为1，若是，则执行步骤5；否则执行步骤4。

步骤4、若存在且在满足要求的用户中，存在仅有一条路径可选的用户，则执行步骤6；否则，执行步骤5。

步骤5、基站对第kmax个用户分配发送码字并将接收码字的信息反馈给第kmax个用户，令k←k-1，去除集合中用户所有信道信息，以及其它用户中发送码字为的路径，再对集合中剩下的所有元素重新整合，执行步骤7。该步骤中，去除剩余用户中发送码字为的路径，其目的是避免下行数据传输过程中，任意两个用户使用相同的发送码字，造成严重的干扰。

步骤6、将所有与第kmax用户使用相同发送码字且仅有一条可选路径的用户构成集合其中j表示满足要求的用户总数，表示第singlek个用户与基站间的信道增益。比较r中各元素大小，选取最大项并设为基站对第个用户分配发送码字并将接收码字的信息反馈给第个用户，令k←k-1，去除集合中用户所有的信道信息，以及其它用户中发送码字为的路径，再对集合中剩下的所有元素重新整合，执行步骤7。同样地，该步骤中去除剩余用户中发送码字为的路径，其目的也是避免下行数据传输过程中，任意两个用户使用相同的发送码字，造成严重的干扰。

步骤7、若k＝0或者波束分配结束；否则，返回执行步骤2。

波束分配结束后，所有用户利用反馈的接收码字信息进行模拟预编码向量设计，设第k个用户的模拟预编码向量为wk，基站利用为每个用户分配的发送码字进行模拟预编码矩阵设计，设针对第k个用户的模拟预编码向量为利用设计好的模拟预编码矩阵，可构造出所有用户与基站之间的下行等效信道矩阵

为使基站获得下行等效信道矩阵的估计，利用tdd模式的信道互异性，可利用上行导频训练完成下行等效信道矩阵的估计。在导频训练阶段，所有k个用户向基站发送相互正交的导频序列，表示为且φφ^h＝ik。其中pu表示每个用户的上行发送功率。基站接收信号矩阵表示为

其中为上行链路高斯噪声。对接收到的信号yp作相关处理，得

使用迫零方法(zeroforcing,zf)设计多用户毫米波mimo系统的数字预编码矩阵，可得

使用最小均方误差方法(minimummeansquareerror,zf)设计数字预编码矩阵，得

得到的每列数字预编码向量均需要进行归一化处理，以满足基站预编码矩阵不提供功率增益的要求，即至此，混合预编码设计结束。

根据上述方法，本发明提供了一种多用户毫米波通信系统波束分配装置，如图3所示，其包括：波束搜索模块、初始化选取模块、路径数目判断模块、单径优先判断模块、波束分配模块、单径用户波束分配模块、调整更新模块和循环终止判断模块。

具体地，波束搜索模块用于获取信道增益集合获取每个用户与基站间每条路径的码字信息。

初始化选取模块用于选取每个用户信道增益最大路径，构成集合对应路径发送码字集合接收码字集合比较集合s中所有元素大小，选取最大项设为对应的发送码字设为接收码字设为

路径数目判断模块用于判断第kmax个用户与基站间可选路径是否为1。

单径优先判断模块用于判断是否存在且满足条件的用户中是否存在仅有一条路径可选的用户。

波束分配模块用于基站对第kmax个用户分配发送码字并将接收码字的信息反馈给第kmax个用户。

单径用户波束分配模块，用于将所有与第kmax用户使用相同发送码字且仅有一条可选路径的用户构成集合比较r中各元素大小，选取最大项并设为基站对第个用户分配发送码字将接收码字的信息反馈给第个用户。

调整更新模块，用于更新k←k-1，去除集合中已选用户的所有路径信息，以及其它用户中发送码字为的路径，再对集合中剩下的所有元素重新整合。

循环终止判断模块，用于判断是否k＝0或以循环或终止进程。

使用混合预编码结构的多用户毫米波下行通信的波束分配系统和上述波束分配装置构成了一种多用户毫米波通信的波束分配系统，其波束分配过程包括：通过上行波束搜索，所有k个用户利用预设发送码字对应的模拟预编码向量(下行称为模拟合并向量)，发送导频序列进入无线信道，基站利用预设接收码字对应的模拟合并矩阵(下行称为模拟预编码矩阵)接收导频信号，根据所获信号能量大小及对应的码字组合，基站为多用户毫米波下行通信进行波束分配，其中，基站的信号覆盖k个用户，基站端的数字预编码用来降低多用户干扰。

为了验证本发明方法的效果，将本发明方法与模拟预编码方案、无波束分配的混合预编码方案进行了以下对比验证实验：

场景参数设置：系统参数中，设定基站发射总功率为60w，每个用户的发射功率为0.2w，基站天线数目为64，小区用户数目k满足2≤k≤20，每个用户的天线数目为4，用于波束搜索和信道估计的导频长度为τ＝20，且每个用户使用的导频相互正交，信噪比的取值范围是0～30db。信道参数中，将第k个用户与基站之间的多径数目lk建模为期望值为e[lk]＝5的变量，服从泊松分布；主径信道衰落系数服从均值为0，方差为0.5的复高斯分布，从径信道衰落系数服从均值为0，方差为0.05的复高斯分布。试验中，进行蒙特卡洛仿真，随机生成5000次独立的多用户多径信道，仿真结果是5000次的平均。

图4显示了采用本发明波束分配方法的混合预编码方案和传统的混和预编码方案及模拟预编码方案的用户的和速率随用户数目变化对比曲线图。横坐标表示用户数目，纵坐标表示用户的和速率，单位是bps/hz。系统参数设置为snr＝10db，k∈[2,20]。根据图4可知，随着用户数目增加，各方案的用户的和速率均迅速增长，差距也逐渐增大。和传统的混和预编码方案及模拟预编码方案相比，采用本发明波束分配方法的混合预编码方案用户的和速率显著上升，在此方案中，采用zf或mmse方式进行数字预编码设计，效果几乎完全相同。对于传统的混合预编码方案，采用mmse方式进行数字预编码的混合预编码方案对多用户间干扰消除效果明显优于zf方式，略优于模拟预编码方案。当用户数目增多时，多用户间干扰不断增加，基于zf的传统混和预编码方案性能会越来越差，甚至低于模拟预编码方案。

图5显示了采用本发明波束分配方法的混合预编码方案和传统的混和预编码方案及模拟预编码方案的用户的和速率随信噪比变化对比曲线图。横坐标表示信噪比，单位是db，纵坐标表示用户的和速率，单位是bps/hz。系统参数设置为k＝8,snr∈[0db,30db]。根据图5可知，随着信噪比增加，各方案的用户的和速率均迅速增长，差距也逐渐增大。和传统的混和预编码方案及模拟预编码方案相比，采用本发明波束分配方法的混合预编码方案用户的和速率显著上升，在此方案中，采用zf或mmse方式进行数字预编码设计，效果几乎完全相同。对于传统的混合预编码方案，采用mmse方式进行数字预编码的混合预编码方案对多用户间干扰消除效果明显优于zf方式的混和预编码方案，且混和预编码方案在信噪比大于10db的条件下均优于模拟预编码方案。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步地详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。