基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模mimo系统多用户传输方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法，基站配置毫米波大规模均匀平板天线阵列，若干单天线用户在同一时频资源上接受基站服务，根据用户所选波束簇的信息，用户全集被划分为无干扰用户集合与干扰用户集合两个子集，对无干扰用户集合采用基于双层预编码的空分多址传输方法，对干扰用户集合采用基于干扰抑制的传输方法。该发明结合了空分多址与干扰抑制这两种传统多用户传输方法各自的优点，突破了FDD传输模式下大规模MIMO系统下行信道信息获取困难的瓶颈，同时克服了计算复杂度难题，保证了所有用户能够同时接受基站服务，利用有限的反馈量实现出可观的系统和速率性能。
【专利说明】基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模ΜΙΜΟ系统多用 户传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种毫米波传输条件下的多用户大规模天线发送和多天线接收（多 用户大规模ΜΜ0)系统的有限反馈方法，尤其涉及一种基于空分多址与干扰抑制的毫米波 大规模ΜΙΜΟ系统多用户传输方法。
【背景技术】
[0002] 当今移动通信系统的工作频率为300MHz-6GHz，该频段通常被认为是无线通信的 最佳频段，能够制造较为有利的传播条件。随着用户数量的增加以及数据业务的多样化， 6GHz以下频段的业务量趋于过载，难以满足日益增加的通信速率需求，而6GHz以上频段 (超高频、甚高频）尚未得到充分使用，因此极具开发潜力。当工作频率为6GHz-300GHz时， 载波波长通常在毫米级甚至以下，这种传输方式被称为毫米波传输。随着信息产业的快速 发展，为满足用户对信息传输速率以及服务质量的需求，多输入多输出（ΜΙΜΟ)技术应运而 生，其通过在发送或接收端设置多根天线，采用分集、复用、波束成形等方法，能够有效提升 通信系统的信道容量，并使系统可以在同一时频资源上服务多个用户，实现多用户传输。近 年来提出的大规模ΜΜ0技术，通过在基站端架设大规模天线阵列，能够大幅提高空间分辨 率，并产生具有强方向性的极窄波束，在提升波束成形增益的同时减少多用户干扰，进一步 提高系统吞吐量。在大规模ΜΜ0系统中，天线阵列阵元之间的常用间距为载波波长的一 半，由于毫米波的波长较小，因此可以在相同空间范围内容纳数目庞大的天线单元，从而更 好得实现大规模ΜΙΜΟ技术。
[0003] 目前，业界已对毫米波大规模ΜΜ0系统展开广泛讨论与深入研究，有学者利用毫 米波大规模ΜΜ0系统波束域信道的稀疏性，提出了一种低秩的多用户传输方案，在保证较 高系统容量的同时有效抑制用户间干扰。用户间干扰的消除是多用户传输方案的研究重 点，目前广泛使用的两类干扰消除方法为：一、空分多址（SDMA)，利用波束之间的正交性来 划分空间，通过一定的调度准则，使基站同时服务空间上相距较远的若干用户，相当于将多 用户传输过程分解为并行的多个单用户传输过程，缺点是每段时隙存在部分用户无法接受 调度的情况；二、抑制干扰的预编码，如迫零预编码等，所有用户同时接受基站服务，基站端 根据用户反馈的信道信息产生一个预编码矩阵，每个用户对应的预编码矢量能够使该用户 信道方向能量增强，同时抑制干扰用户的信道能量，因此较为公平有效，缺点是计算复杂度 高，反馈量巨大。这两种方法各有利弊，如何将它们结合起来，达到优势互补，成为研究的难 题。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于空分多址与干 扰抑制的毫米波大规模ΜΜ0系统多用户传输方法，发明结合了空分多址与干扰抑制这两 种传统多用户传输方法各自的优点，突破了 FDD传输模式下大规模ΜΜ0系统下行信道信息 获取困难的瓶颈，同时克服了计算复杂度难题，保证了所有用户能够同时接受基站服务，利 用有限的反馈量实现出可观的系统和速率性能。
[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] -种基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模ΜΙΜΟ系统多用户传输方法，在基 站配置毫米波大规模均匀平板天线阵列，若干单天线用户在同一时频资源上接受基站服 务，根据用户所选的波束簇信息，用户全集被划分为无干扰用户集合和干扰用户集合两个 子集，对无干扰用户集合采用基于双层预编码的空分多址传输方法，对干扰用户集合采用 基于干扰抑制的传输方法，利用波束域信道特性，基站仅在每个用户信道能量集中的少量 波束上发送正交导频序列，用户估计出低维的等效波束域信道矢量，并根据本身所属集合 的不同，分别计算相应的反馈信息并反馈至基站，最后基站根据反馈结果进行预编码矢量 的设计与数据传输；具体包括如下步骤：
[0007] (1)基站根据上行信道探测过程得到每个用户的波束域统计信道信息（用户所选 波束簇的信息），进而确定信道主瓣所占据的波束簇，并根据波束簇之间的关系对用户进行 分类，形成无干扰用户集合与干扰用户集合；
[0008] (2)基站在每个用户所确定的波束簇上发送下行用户专用导频，用户根据接收到 的导频信息完成波束域信道估计，无干扰用户集合中的用户还需根据信道估计结果计算出 第二层预编码矢量编号；
[0009] (3)无干扰用户集合中的用户将各自所对应的第二层预编码矢量编号反馈回基 站，干扰用户集合中的用户将估计出的等效波束域信道矢量完全反馈至基站；
[0010] (4)基站根据接收到的反馈信息对两个子集中的用户分别设计预编码矢量，进行 数据传输。
[0011] 具体的，所述步骤（1)中，用户被归入无干扰用户集合的条件为：该用户选择的波 束簇与其他任何用户所选择的波束簇的交集均为空；若用户i所选择的波束簇的编号集合 为
【权利要求】
1. 一种基于空分多址与干扰抑制的晕米波大规模ΜΙΜΟ系统多用户传输方法，其特征 在于：在基站配置毫米波大规模均匀平板天线阵列，若干单天线用户在同一时频资源上接 受基站服务，根据用户所选的波束簇信息，用户全集被划分为无干扰用户集合和干扰用户 集合两个子集，对无干扰用户集合采用基于双层预编码的空分多址传输方法，对干扰用户 集合采用基于干扰抑制的传输方法，利用波束域信道特性，基站仅在每个用户信道能量集 中的少量波束上发送正交导频序列，用户估计出低维的等效波束域信道矢量，并根据本身 所属集合的不同，分别计算相应的反馈信息并反馈至基站，最后基站根据反馈结果进行预 编码矢量的设计与数据传输；具体包括如下步骤： (1) 基站根据上行信道探测过程得到每个用户的波束域统计信道信息，进而确定信道 主瓣所占据的波束簇，并根据波束簇之间的关系对用户进行分类，形成无干扰用户集合与 干扰用户集合； (2) 基站在每个用户所确定的波束簇上发送下行用户专用导频，用户根据接收到的导 频信息完成波束域信道估计，无干扰用户集合中的用户还需根据信道估计结果计算出第二 层预编码矢量编号； (3) 无干扰用户集合中的用户将各自所对应的第二层预编码矢量编号反馈回基站，干 扰用户集合中的用户将估计出的等效波束域信道矢量完全反馈至基站； (4) 基站根据接收到的反馈信息对两个子集中的用户分别设计预编码矢量，进行数据 传输。
2. 根据权利要求1所述的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模ΜΜ0系统多用户 传输方法，其特征在于：所述步骤（1)中，用户被归入无干扰用户集合的条件为：该用户选 择的波束簇与其他任何用户所选择的波束簇的交集均为空。
3. 根据权利要求1所述的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模ΜΜ0系统多用户 传输方法，其特征在于：所述步骤（1)中，用户被归入干扰用户集合的条件为：该用户选择 的波束簇与某一用户所选择的波束簇的交集非空。
4. 根据权利要求1所述的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模ΜΜ0系统多用户 传输方法，其特征在于：对无干扰用户集合采用基于双层预编码的空分多址传输方法，这里 所说空分多址是指无干扰用户集合中的每个用户均在其所选波束簇上直接进行数据传输， 无需再对用户进行调度；由于无干扰用户集合中用户的波束域信道之间相互正交，则可用 波束之间的正交性来代表空间的正交性，使不同用户占用互不相交波束簇进行数据传输， 相当于将多用户传输过程划分成多个并行的单用户传输过程。
5. 根据权利要求4所述的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模ΜΜ0系统多用户 传输方法，其特征在于：对无干扰用户集合采用基于双层预编码的空分多址传输方法，这里 所说的双层预编码写成w SDM = WlW2的形式，即完整的预编码矢量wSDMA是由一个预编码矩阵 Wi和一个预编码矢量《2相乘得到，第一层预编码巧用于将发射信号对准步骤（1)中所选择 的信道能量集中分布的波束簇方向上，第二层预编码《 2用于多波束的凝聚，使能量集中在 最强波束上，是针对低维等效波束域信道的预编码，并需要对其建立码本；以h代表1 XNt 维物理信道，?ι(Ε>) =h.U_B代表lXNb维等效波束域信道，这里，Nt为基站天线数，Nb为每个 用户所选波束的数量，U e 为波束变换矩阵，B e 为波束选择矩阵，则U · B即为 第一层预编码矩阵Wi，根据i!W元素之间的相位特性建立w2码本，使之起到相位补偿的作 用，该码本中任一码字可表示为：
这里，= l，...，Nb-l为
中第i+1号元素与第1号元素的相位差，由于该相 位差可根据波束编号对应关系进行预测，则w2共有2"^种取值集合，即码本中码字总数为
k为码字对应编号。
6. 根据权利要求5所述的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MMO系统多用户 传输方法，其特征在于：所述步骤（2)中，无干扰用户集合中的用户需要根据信道估计结果 计算出第二层预编码矢量编号，该第二层预编码矢量编号用于进行w 2码字选择；仅需基站 端针对每个用户所选波束簇信息来建立一份《2码本，而用户端无需建立码本，仅需要将
中的第2?Nb号元素与第1号元素之间相位差的正负值用0/1序列表示并折合为十进制 数字，该十进制数字即为所求PMI。
7. 根据权利要求1所述的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MMO系统多用户 传输方法，其特征在于：对干扰用户集合采用基于干扰抑制的传输方法，这里对干扰用户集 合继续划分，得到若干个最大干扰用户组；若对于干扰用户组
组 内任意一对成员之间的关系满足（UmUnj)或〈UmUnj〉，则称UM为一个最大干扰用户组， 其中，（Usu，Usu)表示用户Usu与Usu所选波束簇存在交集，称为直接关联；〈 Usu，Usu〉表示 当（UmUnk)与（uM，k,u M，j)同时存在时，通过中间用户接关联，间接关系可 为多级。
8. 根据权利要求1所述的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MMO系统多用户 传输方法，其特征在于：对干扰用户集合采用基于干扰抑制的传输方法，所述干扰抑制具体 为迫零预编码方法。
9. 根据权利要求1所述的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MMO系统多用户 传输方法，其特征在于：所述步骤（2)中，基站在每个用户所确定的波束簇上发送下行用户 专用导频，所述专用导频序列长度仅为相应用户波束簇的大小N b，用户根据接收到的低维 导频序列，以估计出下行链路的低维等效波束域信道；若下行链路用户i接收到的导频序 列为：
其中，
为基站发送给用户i的专用导频序列，h为加性高斯白噪声，以h代表 IXNt维物理信道，
代表IXNb维等效波束域信道，这里，N t为基站天线数，Nb为 每个用户所选波束的数量，
为波束变换矩阵，
为波束选择矩阵；对该用 户的接收信道进行最小二乘信道估计即可得到等效波束域信道
【文档编号】H04B7/06GK104052535SQ201410284433
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】金石, 韩瑜, 谢一 申请人:东南大学