3D-MIMO下行多用户调度及自适应传输方法技术

本发明专利技术提供了一种3D‑MIMO下行多用户调度及自适应传输方法，基站采用均匀平面天线阵，方法包括如下步骤：初始状态时，利用统计信道信息计算各用户水平及垂直方向波束成形指数；采用最小相似度方法进行多用户调度，选出相似度最小的服务用户计算预编码向量并进行预编码传输。本方法能有效减小用户间干扰，并能以较低的计算复杂度获取较高的系统吞吐量，能获得较高的和速率，鲁棒性高，易于实现；由于仅需要信道的统计信息，所需信道信息量小，适用于各种典型的无线通信系统；因同时考虑信道直达径和相关阵的影响，信道更具一般性。

Downlink Multiuser Scheduling and Adaptive Transmission Method for 3D-MIMO

The invention provides a downlink multi-user scheduling and adaptive transmission method for 3D MIMO. The base station adopts a uniform planar antenna array. The method includes the following steps: calculating the horizontal and vertical beamforming index of each user by using statistical channel information in the initial state; using the minimum similarity method for multi-user scheduling, selecting the service user with the least similarity to calculate the pre-coding direction. Quantity and precoding transmission. This method can effectively reduce the inter-user interference and obtain higher system throughput with lower computational complexity. It can obtain higher sum rate, higher robustness and easy to implement. Because only the statistical information of the channel is needed, the amount of channel information required is small, and it is suitable for various typical wireless communication systems. Because the influence of both channel direct path and correlation array is considered, the channel is more uniform. Generic.

【技术实现步骤摘要】
3D-MIMO下行多用户调度及自适应传输方法
本专利技术属于无线通信
，涉及基站配置均匀平面天线阵的多用户下行系统用户调度及自适应传输技术，更为具体的说是涉及一种基于相似度的3D-MIMO下行多用户调度及自适应传输方法。
技术介绍
大规模多输入多输出(MIMO)作为一种可以提高网络传输速率和覆盖的有效方法，将成为新一代无线通信网络的关键技术之一。与传统的单用户多天线系统相比，大规模多输入多输出能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，并利用低成本、低功耗的器件真正实现绿色通信。然而，在实际应用中，大规模多输入多输出无线通信面临着诸多挑战。首先，基站所能配置的天线数量受到基站空间以及载波频率的影响。通过挖掘垂直维度的资源，三维多输入多输出技术引起了国际学者们的广泛关注，即在基站配置二维网格排列的天线阵列，它克服了有限的空间对大规模多输入多输出无线通信系统的限制。此外，在实际通信中，基站的信道信息可由用户通过上行的有限反馈信道提供，但反馈信息的传输不可避免地存在反馈延时，因此，假设基于发送端已知理想信道信息来实现用户调度及自适应传输往往是不现实的。例如，对于FDD系统，信道信息的反馈给上行容量造成很大的负担，特别是在用户数和发射天线数较大以及信道状态变化较快的情况下。因此，利用信道统计信息，如发送相关阵，均值信息等进行下行用户调度及自适应传输是较为合适的选择。现有针对大规模多输入多输出系统的研究大都是在瑞利衰落信道条件下进行的。虽然采用瑞利衰落信道模型可以有效简化性能分析，但实际信道中包含的直达径分量被忽略。例如，在毫米波通信系统中，由于毫米波传输具有高定向性和准光学性质，直达径会占主导地位，这使得简单建模为瑞利衰落信道变得不准确。此外，在实际通信中，受到用户空间限制，天线配置以及多普勒效应的影响，需要考虑信道相关阵的存在，但现有研究对此有所忽略。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种三维多输入多输出下行多用户调度及自适应传输方法，为基站配置均匀平面天线阵，并充分考虑考虑信道相关阵，基于信道直达径以及相关阵的相关性质，从候选用户集合中挑选出与已选用户最大相似度最小的用户再进行预编码传输。为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：3D-MIMO下行多用户调度及自适应传输方法，基站采用均匀平面天线阵，天线阵在垂直方向上有M行，水平方向每行N个阵元，相邻天线阵元间距在水平和垂直方向上均为载波波长的一半，共有L个配置单根接收天线的用户，基站最多能够同时服务U个用户；方法包括如下步骤：步骤一，初始状态时，利用统计信道信息计算各用户水平及垂直方向波束成形指数；所述统计信道信息包括：用户k的信道莱斯因子信道水平视距分量垂直视距分量信道水平相关阵和信道垂直相关阵其中，k＝1,…,L，矩阵Hk为基站与用户k之间的信道矩阵，Hk的第m行第n列的元素[Hk]m,n为基站第m行第n列的天线阵元与用户k之间的信道系数，及分别表示矩阵和的第一列，上标(·)H代表共轭转置，上标(·)T代表转置，E{·}代表求均值；计算各用户水平及垂直方向波束成形指数的过程包括以下子步骤：a1)对用户k,k＝1,…,L，计算其中FM和FM分别为M×M和N×N的DFT矩阵，FM和FM第m行第n列的元素分别为和e为自然底数，j′为虚数单位，上标(·)*代表共轭转置；a2)基于及信道莱斯因子Kk，分别找出用户k在垂直和水平方向上的指标1：和a3)基于及信道莱斯因子Kk，分别找出用户k在水平和垂直方向上的指标2：和a4)利用指标1及指标2，找出垂直方向波束成形指数水平方向波束成形指数准则为：其中，和分别为和的第和第个对角元，和分别为和的第和第个对角元；步骤二、采用最小相似度方法进行多用户调度，具体包括以下子步骤：b1)初始状态时，将调度出的服务用户集合初始化为空集其中表示空集，未调度用户集合初始化为全部用户令l＝0；b2)计算集合中任意用户k的有用信号平均能量Dk，找出集合中有用信号平均能量最大的用户，将其加入集合且从集合中删去，并令l＝l+1；b3)若l＜U且则进入步骤b4)；否则，结束用户调度；b4)对集合中任意用户k判断是否满足且并将不满足条件的用户从集合中删去；b5)若集合计算集合中任意用户k对集合中用户的最大相似度Gk，找出其中最大相似度最小的用户，将其加入集合且从集合中删去，并令l＝l+1，进入步骤b3)；步骤三、对服务用户集合中的用户计算预编码矢量：用户k的预编码矢量为其中，为矩阵FM的第列，为矩阵FN的第列；利用计算出的预编码矢量对服务用户集合中的用户进行预编码传输。进一步的，所述步骤a2)中用户k在垂直和水平方向上的指标1：和的计算方法为：其中，和分别为和的第i和第j个对角元，和分别为和的第i和第j个对角元。进一步的，所述步骤a3)中用户k在水平和垂直方向上的指标2：和的计算方法为：其中，和分别为和的第i和第j个对角元，和分别为和的第i和第j个对角元。进一步的，所述步骤b2)中用户k的有用信号平均能量Dk的计算方法为：其中，和分别为的第个对角元和的第个对角元，和分别为的第个对角元和的第个对角元。进一步的，所述步骤b5)中任意用户k对集合中用户的最大相似度Gk的计算方法为：其中，其中，和分别为的第个对角元和的第个对角元，和分别为的第个对角元和的第个对角元。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：1.本方法能有效减小用户间干扰，并能以较低的计算复杂度获取较高的系统吞吐量，鲁棒性高，易于实现。2.本方法仅需要信道的统计信息，所需信道信息量小，适用于各种典型的无线通信系统。3.本方法同时考虑信道直达径和相关阵的影响，信道更具一般性。4.本方法能获得较高的和速率。具体实施方式以下将结合具体实施例对本专利技术提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。考虑一个多用户下行链路，基站采用均匀平面天线阵，天线阵在垂直方向上有M行，水平方向每行N个阵元，相邻天线阵元间距在水平和垂直方向上均为载波波长的一半，共有L个配置单根接收天线的用户，基站最多能够同时服务U个用户。基站已知用户k的统计信道信息，其中k＝1,…,L，统计信道信息包括：用户k的信道莱斯因子信道水平视距分量垂直视距分量信道水平相关阵和信道垂直相关阵其中，矩阵Hk为基站与用户k之间的信道矩阵，Hk的第m行第n列的元素[Hk]m,n为基站第m行第n列的天线阵元与用户k之间的信道系数，及分别表示矩阵和的第一列，上标(·)H代表共轭转置，上标(·)T代表转置，E{·}代表求均值；基站按如下步骤进行用户调度及自适应传输：步骤一、利用统计信道信息计算各用户水平及垂直方向波束成形指数。其中用户水平及垂直方向波束成形指数按如下步骤进行：a1)对用户k,k＝1,…,L，计算以及其中FM和FM分别为M×M和N×N的DFT矩阵，FM和FM第m行第n列的元素分别为和e为自然底数，j′为虚数单位，上标(·)*代表共轭转置；a2)基于及信道莱斯因子Kk，分别找出用户k在垂直和水平方向上的指标1：和其计算方法是：其中，和分别为和的第i和第j个对角元，和分别为和的第i和第j个对角元。a3)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.3D‑MIMO下行多用户调度及自适应传输方法，其特征在于，基站采用均匀平面天线阵，天线阵在垂直方向上有M行，水平方向每行N个阵元，相邻天线阵元间距在水平和垂直方向上均为载波波长的一半，共有L个配置单根接收天线的用户，基站最多能够同时服务U个用户；方法包括如下步骤：步骤一，初始状态时，利用统计信道信息计算各用户水平及垂直方向波束成形指数；所述统计信道信息包括：用户k的信道莱斯因子

【技术特征摘要】
1.3D-MIMO下行多用户调度及自适应传输方法，其特征在于，基站采用均匀平面天线阵，天线阵在垂直方向上有M行，水平方向每行N个阵元，相邻天线阵元间距在水平和垂直方向上均为载波波长的一半，共有L个配置单根接收天线的用户，基站最多能够同时服务U个用户；方法包括如下步骤：步骤一，初始状态时，利用统计信道信息计算各用户水平及垂直方向波束成形指数；所述统计信道信息包括：用户k的信道莱斯因子信道水平视距分量垂直视距分量信道水平相关阵和信道垂直相关阵其中，k＝1,…,L，矩阵Hk为基站与用户k之间的信道矩阵，Hk的第m行第n列的元素[Hk]m,n为基站第m行第n列的天线阵元与用户k之间的信道系数，及分别表示矩阵和的第一列，上标(·)H代表共轭转置，上标(·)T代表转置，E{·}代表求均值；计算各用户水平及垂直方向波束成形指数的过程包括以下子步骤：a1)对用户k,k＝1,…,L，计算以及其中FM和FM分别为M×M和N×N的DFT矩阵，FM和FM第m行第n列的元素分别为和e为自然底数，j′为虚数单位，上标(·)*代表共轭转置；a2)基于及信道莱斯因子Kk，分别找出用户k在垂直和水平方向上的指标1：和a3)基于及信道莱斯因子Kk，分别找出用户k在水平和垂直方向上的指标2：和a4)利用指标1及指标2，找出垂直方向波束成形指数水平方向波束成形指数准则为：其中，和分别为和的第和第个对角元，和分别为和的第和第个对角元；步骤二、采用最小相似度方法进行多用户调度，具体包括以下子步骤：b1)初始状态时，将调度出的服务用户集合初始化为空集其中表示空集，未调度用户集合初始化为全部用户令l＝0；b2)计算集合中任意用户k的有用信号平均能...

【专利技术属性】
技术研发人员：李潇，孙婷婷，高西奇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32