基於分組的毫米波通信多波束調度方法與流程

2023-10-10 23:09:29 1

本發明屬於無線通信技術領域，涉及一種毫米波通信多波束調度方法，具體涉及一種基於分組的毫米波通信多波束調度方法，可用於多用戶數據傳輸。

背景技術：

毫米波(millimeterwave)是指頻段在30ghz到300ghz範圍之間的電磁波，具有波長短、頻帶寬和方向性好等優勢，毫米波通信是指一種利用毫米波頻段進行數據傳輸的無線通信方式。毫米波通信可以和大規模多輸入多輸出技術相結合以實現波束成形，利用陣列天線在不同的空間位置產生高增益的多個波束，毫米波通信波束間低幹擾特性意味著網絡具有很大的空間復用潛力，能夠有效提升系統頻譜效率。

在用戶數及波束個數通常大於射頻鏈路個數的毫米波通信系統中，發送端需要高效的波束調度策略來進行數據傳輸，即在生成的波束中選擇可以實現最優系統頻譜效率性能的波束，並將其分配給對應的用戶。目前，毫米波通信系統在進行多波束調度過程中，主要是利用每個用戶反饋的最優波束的信幹噪比及其對應的波束序號進行波束和用戶的選擇，以降低用戶反饋開銷。例如，2016年5月作者girimkwon和hyuncheolpark在ieeeinternationalconferenceoncommunications上發表的論文「ajointschedulingandmillimeterwavehybridbeamformingsystemwithpartialsideinformation」中，公開了一種毫米波通信中的聯合多波束調度方法。通過將空間上相距等間隔的波束劃分為一個子集的方式，保證了波束之間被調度的公平性，發送端依據每個用戶反饋的最優波束的信幹噪比及其對應的波束子集序號和波束序號，選擇使頻譜效率最優的波束子集中波束及其對應的用戶。該方法雖然可以降低波束間幹擾，在用戶總數很大的時候，調度的波束個數及用戶個數會趨近於射頻鏈路個數，實現了多用戶分集增益，但仍存在以下不足：(1)在固定的波束子集之間進行選擇，限制了波束組合的多樣性，降低了系統頻譜效率；(2)用戶總數較少時，調度的波束個數會明顯小於射頻鏈路個數，造成系統硬體資源利用不充分。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對上述已有技術的不足，提出了一種基於分組的毫米波通信多波束調度方法，以提高毫米波通信系統頻譜效率，充分利用系統硬體資源。

實現本發明的技術思路是：發送端生成波束，得到波束集合，對波束集合中每個波束進行分組，然後將訓練信號發送至用戶，根據所有用戶反饋的最大的信幹噪比和最大的信幹噪比對應的波束序號進行波束調度和用戶選擇。調度過程中依據一個波束只支持一個用戶和一個用戶只能選擇一個波束的原則，當已選擇的波束個數小於射頻鏈路個數的時候，允許調度相同波束組中的波束；當調度的波束個數等於射頻鏈路個數的時候，避免調度相同波束組中信幹噪比低的波束，以降低波束之間的幹擾，提高系統頻譜效率。

根據上述技術思路，實現本發明採取的技術方案包括如下步驟：

(1)發送端生成n個波束，得到波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}，其中，f(n)表示第n個波束，n為波束總數；

(2)發送端對波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}進行分組：發送端按照相鄰的個波束分為一組的方法，依次對波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}中的每個波束進行分組，得到波束組集合其中，表示對式n/nrf的結果向下取整，nrf為射頻鏈路個數，rf代表射頻，表示第nrf個波束組；

(3)假設毫米波通信系統的用戶總數為u，發送端利用波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}中的各波束，將訓練信號發送至u個用戶；

(4)u個用戶中的每個用戶利用接收到的訓練信號，計算波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}中每個波束的信幹噪比，並將最大的信幹噪比和最大的信幹噪比對應的最優波束序號反饋至發送端；

(5)發送端依據u個用戶反饋的最大的信幹噪比和最優波束序號，對波束組集合中的各波束進行調度：

(5a)發送端設置用戶序號k、已選用戶集合和已選波束集合併對其進行初始化，令k＝1，其中，表示空集；

(5b)發送端判斷已選波束集合中的波束個數是否小於發送端射頻鏈路個數nrf，若是，執行步驟(5c)；否則，執行步驟(5f)；

(5c)發送端判斷已選波束集合中是否存在第k個用戶的最優波束序號nk對應的波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}中的波束f(nk)，若是，執行步驟(5d)；否則，執行步驟(5e)，其中，1≤nk≤n；

(5d)發送端在已選用戶集合中找出用戶的最優波束序號與nk相等的第k′個用戶，並判斷第k個用戶的信幹噪比是否大於第k′個用戶的信幹噪比，若是，在已選用戶集合中，加入第k個用戶，同時刪除第k′個用戶，並執行步驟(5j)；否則，執行步驟(5j)；

(5e)發送端將第k個用戶加入到已選用戶集合中，同時將波束f(nk)加入到已選波束集合中，並執行步驟(5j)；

(5f)發送端判斷已選波束集合中是否存在波束f(nk)，若是，執行步驟(5d)，否則，執行步驟(5g)；

(5g)發送端判斷波束f(nk)是否與已選波束集合中的任意一個波束在相同波束組中，若是，執行步驟(5h)；否則，執行步驟(5i)；

(5h)發送端在已選用戶集合中找出用戶的最優波束序號對應的波束與波束f(nk)在相同波束組中的第個用戶，並判斷第k個用戶的信幹噪比是否大於第個用戶的信幹噪比，若是，在已選用戶集合中，加入第k個用戶，刪除第個用戶，同時在已選波束集合中，加入波束f(nk)，刪除第個用戶的最優波束序號對應的波束，並執行步驟(5j)；否則，執行步驟(5j)；

(5i)發送端比較已選用戶集合中各用戶的信幹噪比，找出信幹噪比最小的第個用戶，並判斷第k個用戶的信幹噪比是否大於第個用戶的信幹噪比，若是，在已選用戶集合中，加入第k個用戶，刪除第個用戶，同時在已選波束集合中，加入波束f(nk)，刪除第個用戶的最優波束序號對應的波束；否則，執行步驟(5j)；

(5j)發送端判斷用戶序號k是否小於用戶總數u，若是，令k＝k+1，並執行步驟(5b)；否則，將已選用戶集中的用戶作為服務用戶，並將已選波束集中的波束作為服務波束。

本發明與現有技術相比，具有如下優點：

1.本發明由於在實現對波束組集合中的各波束進行調度的時候，首先對波束集合中每個波束進行分組，得到波束組集合，避免調度相同波束組中信幹噪比較低的波束，從而使得最終選擇的波束在空間位置上存在較大間隔，進一步降低了波束間幹擾，與現有技術相比，在保證多波束調度方法執行效率的同時，有效地提高了系統頻譜效率。

2.本發明由於在已選波束集合中的波束個數小於射頻鏈路個數的時候，允許調度相同波束組中的波束，放寬了選擇波束和用戶的限定條件，與現有技術相比，充分利用了系統硬體資源。

附圖說明

圖1為本發明的實現流程圖；

圖2為本發明與現有技術的系統頻譜效率性能對比圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例，對本發明作進一步詳細說明，應當理解，本發明的實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。

參照圖1，基於分組的毫米波通信多波束調度方法，包括如下步驟：

步驟1，發送端生成n個波束，得到波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}，其中，f(n)表示第n個波束，n為波束總數；

發送端生成n個波束的生成方式為：發送端構造dft矩陣

其第p行第q列上的元素值為f(p,q)，並令獲得n個波束，其中，j表示(-1)1/2，q＝1,…,n，p＝1,…,m，m代表發送端總的天線數，表示dft矩陣的第n列；

步驟2，發送端對波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}進行分組：發送端按照相鄰的個波束分為一組的方法，依次對波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}中的每個波束進行分組，得到波束組集合其中，表示對式n/nrf的結果向下取整，nrf為射頻鏈路個數，rf代表射頻，表示第nrf個波束組；

步驟3，假設毫米波通信系統中的用戶總數為u，發送端利用波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}中的各波束，將訓練信號發送至u個用戶；

步驟4，u個用戶中的每個用戶利用接收到的訓練信號，計算波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}中每個波束的信幹噪比，並將最大的信幹噪比和最大的信幹噪比對應的最優波束序號反饋至發送端；

每個波束的信幹噪比、最大的信幹噪比和最大的信幹噪比對應的最優波束序號的計算公式分別為：

其中，sinrn表示第n個波束的信幹噪比，psignal(n)表示第n個波束的信號功率，signal表示信號，pnoise(n)表示第n個波束的噪聲功率，noise表示噪聲，pinterference(n)表示第n個波束的幹擾功率，interference表示幹擾，n∈{1,2,…,n}，γ表示最大的信幹噪比，η表示最大的信幹噪比對應的最優波束序號，max表示取最大值，argmax表示取最大值對應的自變量；

步驟5，發送端依據u個用戶反饋的最大的信幹噪比和最優波束序號，對波束組集合中的各波束進行調度：

步驟5a，發送端設置用戶序號k、已選用戶集合和已選波束集合併對其進行初始化，令k＝1，其中，表示空集；

步驟5b，發送端判斷已選波束集合中的波束個數是否小於發送端射頻鏈路個數nrf，若是，執行步驟5c；否則，執行步驟5f；

步驟5c，發送端判斷已選波束集合中是否存在第k個用戶的最優波束序號nk對應的波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}中的波束f(nk)，波束f(nk)所在的波束組的序號為若是，執行步驟5d；否則，執行步驟5e，其中，1≤nk≤n，表示對式nk/nrf的結果向上取整；

步驟5d，發送端在已選用戶集合中找出用戶的最優波束序號與nk相等的第k′個用戶，第k′個用戶為之前加入到已選用戶集合中的用戶，並判斷第k個用戶的信幹噪比是否大於第k′個用戶的信幹噪比，若是，在已選用戶集合中，加入第k個用戶，同時刪除第k′個用戶，並執行步驟5j；否則，執行步驟5j；

步驟5e，發送端將第k個用戶加入到已選用戶集合中，同時將波束f(nk)加入到已選波束集合中，並執行步驟5j；

步驟5f，發送端判斷已選波束集合中是否存在波束f(nk)，若是，執行步驟5d，否則，執行步驟5g；

步驟5g，發送端判斷波束f(nk)是否與已選波束集合中的任意一個波束在相同波束組中，若是，執行步驟5h；否則，執行步驟5i；

步驟5h，發送端在已選用戶集合中找出用戶的最優波束序號對應的波束與波束f(nk)在相同波束組中的第個用戶，第個用戶為之前加入到已選用戶集合中的用戶，並判斷第k個用戶的信幹噪比是否大於第個用戶的信幹噪比，若是，在已選用戶集合中，加入第k個用戶，刪除第個用戶，同時在已選波束集合中，加入波束f(nk)，刪除第個用戶的最優波束序號對應的波束，並執行步驟5j；否則，執行步驟5j；

步驟5i，發送端比較已選用戶集合中各用戶的信幹噪比，找出信幹噪比最小的第個用戶，第個用戶為之前加入到已選用戶集合中的用戶，並判斷第k個用戶的信幹噪比是否大於第個用戶的信幹噪比，若是，在已選用戶集合中，加入第k個用戶，刪除第個用戶，同時在已選波束集合中，加入波束f(nk)，刪除第個用戶的最優波束序號對應的波束；否則，執行步驟5j；

步驟5j，發送端判斷用戶序號k是否小於用戶總數u，若是，令k＝k+1，執行步驟5b；否則，將已選用戶集中的用戶作為服務用戶，並將已選波束集中的波束作為服務波束。

以下結合仿真實驗，對本發明的技術效果作進一步說明。

1.仿真條件和內容：

本發明仿真實驗是在intel(r)core(tm)[email protected]，32位windows7系統下，matlabr2014a運行平臺上完成的；仿真中發送端採用ula天線陣列，天線數為64，波束總數為64，射頻鏈路個數為16，用戶的天線數均為1，系統信噪比為5db，毫米波信道模型採用廣泛應用的salehvalenzuela信道模型，多徑個數為3；對本發明和聯合多波束調度方法的系統頻譜效率性能進行了仿真，其結果如圖2所示。

2.仿真結果分析：

參照圖2，是本發明與聯合多波束調度方法的系統頻譜效率性能對比圖，橫坐標是用戶數，縱坐標是頻譜效率，單位是bps/hz。從圖中我們可以看出，用戶數從10增長到150的時候，本發明的系統頻譜效率從22bps/hz增長到50bps/hz，聯合多波束調度方法的系統頻譜效率從15bps/hz增長到40bps/hz，在不同用戶數的情況下，本發明方法性均明顯優於聯合多波束調度方法。

對於本領域的技術人員來說，可以根據以上的技術方案和構思，做出各種相應的改變和變形，而所有的這些改變和變形都應該包括在本發明權利要求的保護範圍之內。