大规模多输入多输出波束域多播传输方法技术

本发明专利技术公开了大规模多输入多输出波束域多播传输方法。首先，基站利用统一的酉变换矩阵对小区实现大规模波束覆盖，基站在生成的波束上对小区内所有用户提供多播服务，实现波束域多播传输；然后，基站利用实施多播传输的所有用户的长时信道信息，依据给定的准则，对发送信号进行波束域功率分配；在各用户移动过程中，随着基站与各用户之间长时信道信息的变化，基站间歇地获取长时信道信息，动态实施波束域多播传输。本发明专利技术可以提高大规模MIMO物理层多播系统的功率利用率及传输可靠性，同时适用于时分双工和频分双工系统，且能够逼近最优传输性能。

【技术实现步骤摘要】
大规模多输入多输出波束域多播传输方法
本专利技术属于无线通信系统领域，特别涉及了大规模多输入多输出波束域多播传输方法。
技术介绍
虚拟现实、增强现实、物联网、车联网等技术的兴起对无线通信系统提出了更高的要求。大规模MIMO技术作为一种提高频谱效率和功率效率的有效技术，可以在同一时频资源上服务数十个用户，已经成为未来无线通信系统最具前景的技术之一。在无线通信系统中，由物理层多播技术所支持的公共信号传输发挥着重要作用，且已经被加入到第三代合作伙伴计划(3rdGenerationPartnershipProject，3GPP)的不同版本中。大规模MIMO与物理层多播技术相结合对提高系统鲁棒性，降低系统功耗有着重要的实际意义。在应用大规模MIMO的物理层多播系统中，为了进行多播传输，基站往往需要获取瞬时信道信息，而在复杂多变的无线通信环境中获取瞬时信道信息的难度较高，难以在实际系统中应用。与瞬时信道信息相比，长时信道信息具有变化缓慢的特点，更加便于基站及时准确地获取。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术旨在提供大规模多输入多输出波束域多播传输方法，通过获取长时信道信息实施波束域多播传输。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：大规模多输入多输出波束域多播传输方法，包括以下步骤：(1)基站利用统一的酉变换矩阵对小区实现大规模波束覆盖，基站在生成的波束上对小区内所有用户提供多播服务，实现波束域多播传输；(2)基站利用实施多播传输的所有用户的长时信道信息，依据给定的准则，对发送信号进行波束域功率分配；(3)在各用户移动过程中，随着基站与各用户之间长时信道信息的变化，基站间歇地获取长时信道信息，动态实施波束域多播传输。进一步地，在步骤(1)中，基站侧配备大规模天线阵列，天线单元间距为半个波长的量级，天线阵列为一维或二维阵列，当天线阵列结构确定时，酉变换矩阵也随之确定，且不随用户的位置及信道状态而改变，基站利用该酉变换矩阵生成大规模波束覆盖整个小区，实现空间资源的波束域划分。进一步地，在步骤(2)中，所述长时信道信息为波束域能量矩阵；在上行链路中，每个用户发送探测信号，基站根据接收到的探测信号估计所有用户的波束域能量矩阵，然后依据给定的准则，对发送信号进行波束域功率分配。进一步地，在步骤(2)中，所述给定的准则包括但不限于MMF准则和QoS准则。进一步地，在MMF准则下，对发送信号进行波束域功率分配的问题能够表示为一个关于功率分配矢量的凸优化问题。进一步地，在步骤(2)中，对发送信号进行波束域功率分配的方法包括基于随机规划的功率分配方法；在MMF准则下，基于随机规划的功率分配方法的步骤如下：(201)利用KKT条件得到与凸优化问题等价的关于功率分配矢量的定点方程，并通过定点迭代得到该定点方程的解；(202)利用定点方程的解更新对偶变量，迭代上述过程，直至对偶变量收敛，即对偶变量的次梯度的绝对值小于设定值。进一步地，在步骤(2)中，对发送信号进行波束域功率分配的方法包括基于确定性等同的功率分配方法；在MMF准则下，基于确定性等同的功率分配方法的步骤如下：(211)利用波束域能量矩阵，计算所有用户的确定性等同速率，将确定性等同速率代入功率分配凸优化问题中；(212)利用KKT条件得到关于功率分配矢量的定点方程，并通过定点迭代得到该定点方程的解；(213)利用定点方程的解更新对偶变量，迭代上述过程，直至对偶变量收敛，即对偶变量的次梯度的绝对值小于设定值。进一步地，在步骤(2)中，对发送信号进行波束域功率分配的方法包括基于积和式的功率分配方法；在MMF准则下，基于积和式的功率分配方法的步骤如下：(221)利用波束域能量矩阵，计算所有用户的积和式速率，将积和式速率代入功率分配凸优化问题中；(222)利用KKT条件得到关于功率分配矢量的定点方程，并通过定点迭代得到该定点方程的解；(223)利用定点方程的解更新对偶变量，迭代上述过程，直至对偶变量收敛，即对偶变量的次梯度的绝对值小于设定值。采用上述技术方案带来的有益效果：(1)本专利技术中基站所需的各用户波束域长时信道信息可以通过稀疏的上行探测信号获得，且该多播传输方法适用于时分双工(TDD)和频分双工(FDD)系统；(2)本专利技术基站在波束域进行多播传输，可以获得大规模天线阵列所能够提供的频谱效率增益和功率效率增益，提高功率利用率及传输可靠性；(3)本专利技术中基于确定性等同的功率分配方法以及基于积和式的功率分配方法具有较低的计算复杂度，且可以逼近最优传输的性能。附图说明图1是大规模MIMO多播传输系统示意图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。图1为大规模MIMO多播传输系统示意图。基站侧配备大规模天线阵列，天线单元间距为半个波长的量级，天线阵列可以为一维或二维阵列，基站利用统一的酉变换生成大规模波束覆盖整个小区，实现空间资源的波束域划分，基站在生成的波束上对小区内所有用户提供多播服务，实现波束域多播传输。考虑单小区场景，基站侧配置M(M为102或103数量级)根发射天线，K个用户均匀分布在小区内，每个用户配置N根接收天线。假设基站到每个用户的信道为平坦衰落信道，例如单径信道，或者多径信道在某一个正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)子载波上的频域信道等，且认为信道在相关时间间隔内保持不变。基站为K个用户提供多播服务。记和分别为N维和N×M维的复(实)数空间。记yk∈CN为用户k的接收信号，其可以表示为yk＝Hkx+zk(1)其中，Hk∈CN×M为基站到用户k的信道矩阵。x∈CM为多播发送信号，且满足功率约束E{xHx}≤P，其中P为基站侧最大发送功率，上标H表示共轭转置，E{·}表示求期望运算。zk∈CN为加性复高斯白噪声，且均值E{zk}＝0N，协方差矩阵其中0N表示N维全零向量，IN表示N×N的单位矩阵。在大规模MIMO系统中，由于基站侧天线数M足够大，基站到用户k的信道矩阵Hk可以表示为Hk＝UkGkVH(2)其中，Uk∈CN×N和V∈CM×M均为确定的酉矩阵，分别表示接收特征矩阵和发送特征矩阵，Gk∈CN×M为随机矩阵，其各元素均值为0且相互独立。需要注意的是，发送特征矩阵V仅取决于基站侧的天线阵列结构，且对所有用户都相同。特别地，当基站侧配备均匀线性阵列(UniformLinearArray,ULA)时，V为M点离散傅里叶变换(DiscreteFourierTransform,DFT)矩阵。定义用户k的波束域能量矩阵为其中运算符⊙为矩阵的哈达玛乘积，上标*表示共轭运算。由于波束域能量矩阵，也就是长时信道信息，在上下行链路中具有互易性，因此，其可通过上行链路的信道探测过程获得。具体地，在上行链路中，每个用户发送探测信号，基站根据接收到的探测信号估计所有用户的波束域能量矩阵。定义Hb,k＝UkGk为基站到用户k的波束域信道矩阵。基站利用统一的酉变换V将空间域信道Hk变换为波束域信道Hb,k，从而生成大规模波束覆盖整个小区。在大规模MIMO波束域多播传输中，考虑多播发送信号x具有如下形式：x＝VP1/2s(3)其中，为功率归一化的波束域多播发送信号，且满足均值E{s本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.大规模多输入多输出波束域多播传输方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)基站利用统一的酉变换矩阵对小区实现大规模波束覆盖，基站在生成的波束上对小区内所有用户提供多播服务，实现波束域多播传输；(2)基站利用实施多播传输的所有用户的长时信道信息，依据给定的准则，对发送信号进行波束域功率分配；(3)在各用户移动过程中，随着基站与各用户之间长时信道信息的变化，基站间歇地获取长时信道信息，动态实施波束域多播传输。

【技术特征摘要】
1.大规模多输入多输出波束域多播传输方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)基站利用统一的酉变换矩阵对小区实现大规模波束覆盖，基站在生成的波束上对小区内所有用户提供多播服务，实现波束域多播传输；(2)基站利用实施多播传输的所有用户的长时信道信息，依据给定的准则，对发送信号进行波束域功率分配；(3)在各用户移动过程中，随着基站与各用户之间长时信道信息的变化，基站间歇地获取长时信道信息，动态实施波束域多播传输。2.根据权利要求1所述大规模多输入多输出波束域多播传输方法，其特征在于，在步骤(1)中，基站侧配备大规模天线阵列，天线单元间距为半个波长的量级，天线阵列为一维或二维阵列，当天线阵列结构确定时，酉变换矩阵也随之确定，且不随用户的位置及信道状态而改变，基站利用该酉变换矩阵生成大规模波束覆盖整个小区，实现空间资源的波束域划分。3.根据权利要求1或2所述大规模多输入多输出波束域多播传输方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述长时信道信息为波束域能量矩阵；在上行链路中，每个用户发送探测信号，基站根据接收到的探测信号估计所有用户的波束域能量矩阵，然后依据给定的准则，对发送信号进行波束域功率分配。4.根据权利要求3所述大规模多输入多输出波束域多播传输方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述给定的准则包括但不限于MMF准则和QoS准则。5.根据权利要求4所述大规模多输入多输出波束域多播传输方法，其特征在于，在MMF准则下，对发送信号进行波束域功率分配的问题能够表示为一个关于功率分配矢量的凸优化问题。6.根据权利要求5所述大规模多输入多输出波束域多播传输方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：高西奇，李科新，尤力，王家恒，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32