一种用于MU-MIMO系统的自适应波束赋形方法技术方案

一种用于MU

【技术实现步骤摘要】
一种用于MU
‑
MIMO系统的自适应波束赋形方法


[0001]本专利技术属于波束赋形方法
，具体涉及一种用于MU
‑
MIMO系统的自适应波束赋形方法。

技术介绍

[0002]天线阵列的部署显著增加了无线信道的空间维度。大量多输入多输出(Massive MIMO)由于能够形成窄且高增益的波束，已成为第五代移动系统中提供高数据速率通信的一种有前途的技术。
[0003]在MU
‑
MIMO系统中，最大比率传输(MRT)和最小均方误差(MMSE)等波束赋形算法根据上行信道信息(CSI)动态计算波束赋形码本。MRT算法的基本思想是让用户接收到的信号与发送时的信号保持一致的相位，通过波束赋形权值矢量让期望用户接收到的功率最大化。MMSE波束赋形算法往往需要参照一个用以对比的基准，通常以上行链路中基站接收的参考信号作为对比基准，通过MMSE准则，让下行链路中基站的天线阵列经过波束赋形后发射出去的信号逼近于期望参考信号。这两类方法能实时地根据用户信道的变化来调整波束指向。但实际的基站端无法承受增加的计算负担。同时，随着用户数越来越大，码本之间的正交性越来越差，这会导致在传输过程中产生强烈的空间干扰。而且，MRT和MMSE波束赋形技术对无线信道时变性的敏感度较高。在实际系统应用中，这些缺点都会影响系统的性能。
[0004]固定波束码本的设计因其硬件实现的低复杂度而备受关注，传统离散傅里叶变换(DFT)波束赋形的自适应频率复用方案被5G广播信道采纳。DFT预编码的矩阵向量全部相互正交。在多用户系统调用时,根据码本的正交性选择不同的用户可以有效的抑制用户之间的干扰问题。但用户位置分布的随机性导致传统离散傅里叶变换波束赋形算法无法很好地匹配到固定波束的覆盖空间，导致波束边缘用户性能较差。同时，目前开发的多级固定波束赋形算法实现需要很大的训练开销，因为用户需要多次反馈以匹配最小分辨率波束。作为5G的核心技术，是未来通信发展的趋势，如何将场景自适应波束赋形技术运用到MU
‑
MIMO系统中是现有技术存在的问题。
[0005]现有技术存在的问题是：根据用户的瞬时信道信息动态计算波束赋形的算法需要的计算资源过大，硬件系统难以实现，不适用于海量用户的场景，例如论文“Performance analysis of ZF and MMSE algorithms for MIMO Systems”；固定波束码本无法智能地覆盖用户活跃区域，例如论文“Adaptive Frequency Reuse for Beam Allocation Based Multiuser Massive MIMO Systems”；多级固定波束赋形算法的实现需要很大的训练开销，例如论文“Wideband hybrid precoder design in MU
‑
MIMO based on channel angular information”。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种用于MU
‑
MIMO系统的自适应波束赋形方法，通过扩展波束宽度，使波束宽度更适合用户活跃的区域，并能很
好地覆盖边缘用户；波束赋形天线的设计方法的算法简单，设计周期短，能够得到场景特定的高增益赋形波形；本专利技术在用户活跃位置能形成指向性和增益较高的波束，消除了主瓣的波动，抑制了旁瓣的高度，天线的辐射能量能得到有效的利用。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]一种用于MU
‑
MIMO系统的自适应波束赋形方法，包括以下步骤；
[0009]步骤一：MU
‑
MIMO系统中，根据上行统计空域信息确定波束的约束条件，确定需要赋形的波束的个数、每个波束的方向以及宽度；
[0010]步骤二：根据所述波束的约束条件，利用波束赋形算法确定每个辐射单元对应的每个波束的权值矢量；
[0011]步骤三：根据所述权值矢量进行赋形，对每个辐射单元对应的每个波束的权值矢量进行加法运算，以得到满足波束的约束条件的波束辐射形状；
[0012]步骤四：根据严格正交化波束分组准则进行波束分组，将空域资源划分为多个严格正交的空域子空间，降低MU
‑
MIMO的空域干扰；
[0013]步骤五：根据SINR最大化准则，基站为用户分配最佳波束，并进行信号传输。
[0014]所述步骤一中，首先，通过上行统计空域信息采集对关于配备N
×
M阵元的均匀平面阵列的基站和U个单天线用户建立通信链路，天线间距为半波长d；在上行链路中，由前后向空域平滑算法得到的用户u的多个采集时刻的功率角度谱的期望值为；
[0015][0016]其中S表示上行训练中收集的时隙数，是第s个时隙中第u个用户的功率角度谱，形式为：
[0017][0018]是方向上的功率，等于方向上所有到达径的复增益的平方之和，对于没有路径到达的方向，其功率值为0。
[0019]所述功率角度谱确定期望的波束约束集合的步骤如下：
[0020]步骤1.1：获取当前系统的功率角度谱Ω
all
的和，首先对每个用户的功率角度谱进行依次归一化，然后再进行叠加；
[0021]步骤1.2：通过峰值搜索确定期望的波束方向，设Θ、Φ、α分别表示峰值的仰角、方位角和功率向量，表示第u个用户所有到达路径中功率最低的路径的归一化功率，确定所有用户的中的最小值ε1，保留α中大于的元素，相应地更新Θ和Φ，顺序确定保留元素对应波束的期望约束信息；
[0022]步骤1.3：波束b
i
对于α中保留的第i个元素，其目标方位角和俯仰角分别为θ
i
＝Θ(i)和再根据几何耦合公式：
[0023][0024]确定波束b
i
在方位角和俯仰角中的最佳波束宽度调整因子μ
i
,ν
i
，至此，确定波束b
i
的全部约束信息若波束b
i
为α中保留的最后一个元素，则结束；否则，转至步骤1.3确定下一个波束约束信息。
[0025]所述步骤二具体为：根据波束约束信息确定波束赋形权值矢量，设当前待确定权值矢量的波束为第i个波束b
i
，对于具有N行和M列的UPA，波束预编码向量w
i
包含N
×
M个元素，由垂直方向的N维列向量w
iz
和水平方向的M维列向量w
ix
的Kronecker积得到，定义一个垂直方向上的波束定义为w
iz
(n)，被两个常模序列分解，即:
[0026]w
iz
(n)＝p
iz
(n)q
iz
(n),n＝1,2,...,N
[0027]其中
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于MU
‑
MIMO系统的自适应波束赋形方法，其特征在于，包括以下步骤；步骤一：MU
‑
MIMO系统中，根据上行统计空域信息确定波束的约束条件，确定需要赋形的波束的个数、每个波束的方向以及宽度；步骤二：根据所述波束的约束条件，利用波束赋形算法确定每个辐射单元对应的每个波束的权值矢量；步骤三：根据所述权值矢量进行赋形，对每个辐射单元对应的每个波束的权值矢量进行加法运算，以得到满足波束的约束条件的波束辐射形状；步骤四：根据严格正交化波束分组准则进行波束分组，将空域资源划分为多个严格正交的空域子空间，降低MU
‑
MIMO的空域干扰；步骤五：根据SINR最大化准则，基站为用户分配最佳波束，并进行信号传输。2.根据权利要求1所述的一种用于MU
‑
MIMO系统的自适应波束赋形方法，其特征在于，所述步骤一中，首先，通过上行统计空域信息采集对关于配备N
×
M阵元的均匀平面阵列的基站和U个单天线用户建立通信链路，天线间距为半波长d；在上行链路中，由前后向空域平滑算法得到的用户u的多个采集时刻的功率角度谱的期望值为；其中S表示上行训练中收集的时隙数，是第s个时隙中第u个用户的功率角度谱，形式为：为：是方向上的功率，等于方向上所有到达径的复增益的平方之和，对于没有路径到达的方向，其功率值为0。3.根据权利要求2所述的一种用于MU
‑
MIMO系统的自适应波束赋形方法，其特征在于，所述功率角度谱确定期望的波束约束集合的步骤如下：步骤1.1：获取当前系统的功率角度谱Ω
all
的和，首先对每个用户的功率角度谱进行依次归一化，然后再进行叠加；步骤1.2：通过峰值搜索确定期望的波束方向，设Θ、Φ、α分别表示峰值的仰角、方位角和功率向量，表示第u个用户所有到达路径中功率最低的路径的归一化功率，确定所有用户的中的最小值ε1，保留α中大于的元素，相应地更新Θ和Φ，顺序确定保留元素对应波束的期望约束信息；步骤1.3：波束b
i
对于α中保留的第i个元素，其目标方位角和俯仰角分别为θ
i
＝Θ(i)和再根据几何耦合公式：确定波束b
i
在方位角和俯仰角中的最佳波束宽度调整因子μ
i
,ν
i
，至此，确定波束b
i
的全部约束信息若波束b
i
为α中保留的最后一个元素，则结束；否则，转至步骤1.3
确定下一个波束约束信息。4.根据权利要求1所述的一种用于MU
‑
MIMO系统的自适应波束赋形方法，其特征在于，所述步骤二具体为：根据波束约束信息确定波束赋形权值矢量，设当前待确定权值矢量的波束为第i个波束b
i
，对于具有N行和M列的UPA，波束预编码向量w
i
包含N
×
M个元素，由垂直方向的N维列向量w
iz
和水平方向的M维列向量w
ix
的Kronecker积得到，定义一个垂直方向上的波束定义为w
iz
(n)，被两个常模序列分解，即:w
iz
(n)＝p
iz
(n)q
iz
(n),n＝1,2,...,N其中其中分别对两个序列的相位求n的导数，得到瞬时频率，p
iz
(n)是一个频率恒为z
i
/2的单音序列，对q
iz
(n)序列的相位求导得其频率为根据n的取值范围，得知q
iz
(n)的频率范围为同理，水平方向第m个天线上波束b
i
的预编码权值w
ix
(m)表示为w
ix
(m)＝p
ix
(m)q
ix
(m),m＝1,2,...,M其中其中p
ix
(m)是一个频率恒为x
i
/2的单音序列，q
ix
(m)的频率范围为5.根据权利要求4所述的一种用于MU
‑
MIMO系统的自适应波束赋形方法，其特征在于，所述UPA，b
i
的预编码向量w
i
由以下表示其中其中其中其中，H(
·
)表示窗函数，w
i
是第i个波束未加窗的权值矢量，w
iz
是第i个波束在垂直方向未加窗的权值矢量，w
ix
是第i个波束在水平方向未加窗的权值矢量，w
iz
(1)是第i个波束
在垂直方向的权值矢量的第1个元素，是第i个波束加窗后的权值矢量。6.根据权利要求1所述的一种用于MU
‑
MIMO系统的自适应波束赋形方法，其特征在于，所述步骤三中，波束赋形后在方向的增益为：为：表示第i个波束在方向上的辐射增益，w
i
[(n
‑
1)M+m]是第i个波束的权值矢量的第(n
‑
1)M+m个元素，表示方向上导向矢量的第(n
‑
1)M+m个元素，表示单个全向天线在方向上的辐射增益；w
i
[(n<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张阳，李媛，宋宇晨，刘泽瑜，庞立华，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：