一种基于组合多臂赌博机的两阶段波束形成方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于组合多臂赌博机的两阶段波束形成方法。

背景技术

大规模多输入多输出(MIMO)系统在6G无线通信中显示出巨大的潜力。由于信道互易在频分双工(FDD)中不存在，而获取瞬时信道状态信息(CSI)的下行训练长度(DTL)和CSI反馈给FDD系统带来了很大的负担，使得FDD大规模MIMO具有挑战性。考虑到统计CSI在远高于符号传输时间尺度的间隔内保持不变，提出了一种基于信道协方差矩阵(CCM)的两级波束形成(TSB)方案，即JSDM，该方案对DTL和CSI反馈。在第一阶段，JSDM将用户分组，并根据统计CSI设计一个预波束形成器，以降低有效信道矩阵的维数，得到降低的DTL和CSI反馈。在第二阶段，设计了一个多用户预编码器以减少干扰。许多作品都致力于提高TSB方案的性能。基于最小均方误差(MMSE)的JSDM方案分别根据MMSE准则和加权MMSE准则设计了预波束形成器和多用户预编码器。为了解决分组问题，提出了一种充分利用信号空间的基于邻居的JSDM(NJSDM)，以获得更高的频谱效率。上述TSB方案假定有一个可用的CCM。Khalilsarai等人对CCM进行了估计，并提出了一种称为ACS的TSB方案，该方案使用DFT矩阵来设计预波束形成器。在实践中，获取CCM的开销是很大的，特别是当用户移动很快，CCM频繁变化时。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于组合多臂赌博机的两阶段波束形成方法，以解决现有技术中采用CCM设计预波束形成矩阵开销大、效率低的问题。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一种基于组合多臂赌博机的两阶段波束形成方法，包括：

采用组合式多臂赌博机设计预波束成形矩阵；

发送循环结构的导频矩阵，并接收用户根据所述导频矩阵估计的等效信道矩阵；

根据所述等效信道矩阵，设计预编码器并确定各用户的角度谱；

采用预编码器和各用户的角度谱修正所述预波束成形矩阵。

进一步地，采用组合式多臂赌博机设计预波束成形矩阵包括：

将预波束成形矩阵的设计问题转换为组合式多臂赌博机中的臂选择问题；

将组合式多臂赌博机中的臂选择问题转化为0-1整数线性规划问题。

进一步地，将预波束成形矩阵的设计问题转换为组合式多臂赌博机中的臂选择问题包括：

预波束形成矩阵由DFT矩阵D＝[d

其中，

将瞬时信道状态信息间隔定义为时间块，假设用户k的角度域AR在第

其中，d

用

其中，∩指集合的交集符号，

DFT矩阵的列

设导频矩阵的圆形结构为

其中，n

其中，

用符号

/>

而

在下行训练长度有限的情况下，设计

s.t.max

其中，

进一步地，将组合式多臂赌博机中的臂选择问题转化为0-1整数线性规划问题包括：

M个基本臂d

使用线性UCB策略选择每个时隙中的超级臂，考虑到奖励的卡方分布，第t个时隙中基本臂的UCB值定义为：

其中，

在每个时隙中，使用x表示是否在超级臂中选择了基臂，其中x

其中

s.t.Ax≤τe(15)

其中，e是所有元素均为1的向量，τ是给定的一个值，用来描述导频长度；

当所有用户的

则

s.t. A

其中，不考虑

s.t. A

和/>

进一步地，还包括：

在每个时隙中，更新每个基本臂的奖励；

使用似然比计算候选集中每一个基本臂的功率，如果候选集中的基本臂具有零或非零幂，则更新边缘向量；CMAB算法的预期遗憾是O(lnt)。并可以通过证明其遗憾随时间呈对数增长。

进一步地，采用分支定界法求解0-1整数线性规划问题。

进一步地，还包括采用最大似然法检测角度谱的功率。

根据上述技术方案，本发明的实施例至少具有以下效果：本发明将预波束形成矩阵设计问题转化为CMAB问题，并根据等效信道矩阵，设计预编码器并确定各用户的角度谱；采用预编码器和各用户的角度谱修正预波束成形矩阵。本发明证明了遗憾随时间呈对数增长，使所提出的方案收敛于最优行动，且本发明相较于之前的方法能够显著提高频谱效率能够在不需要CCM的情况下，显著减少信道估计的开销并提高频谱效率。

附图说明

图1为本发明一种实施例的不同SNR下不同方案的ESE仿真示意图；

图2为本发明一种实施例的不同用户数量下不同方案的ESE仿真示意图；

图3为本发明一种实施例的不同DTL下不同方案的ESE仿真示意图；

图4为本发明一种实施例的CMAB方案在每个时隙中的ESE仿真示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明针对单小区FDD大规模MIMO系统，提出了一种基于组合多臂赌博机(CMAB)的两阶段波束形成(TSB)方法。本申请与其他TSB方案不同的是，预波束形成矩阵是由CMAB设计的，不需要CCM。

在TSB方案的第一阶段，我们将预波束形成设计问题转化为CMAB问题，将预波束形成矩阵视为超级臂。我们使用线性UCB策略来选择超级臂，并将超级臂的选择问题转化为线性整数0-1规划问题。采用分支定界法求解该规划问题。

在TSB方案的第二阶段，设计了多用户预编码器来减少干扰。在CMAB过程中，我们采用最大似然检测方法确定功率角谱(PAS)，并迭代减小角度范围。证明了该方法能够实现随时间对数增长的结果。仿真结果也验证了该方案的良好性能。

本申请能够在不需要CCM的情况下，显著减少信道估计的开销并提高频谱效率。具体的该方法包括如下步骤：采用组合式多臂赌博机设计预波束成形矩阵；发送循环结构的导频矩阵，并接收用户根据导频矩阵估计的等效信道矩阵；根据等效信道矩阵，设计预编码器并确定各用户的角度功率谱；采用预编码器和各用户的角度功率谱修正预波束成形矩阵。

为了使本发明的技术方案更好地被解释，初步工作要先对相关参数和数据进行预处理。其中：

考虑一个单小区FDD大规模MIMO系统，其中基站(BS)服务于K个单天线用户设备(UEs)。BS采用M单元的酉线性天线(ULA)阵列。下行传输时，设

y＝H

其中下行信道向量

考虑了单环信道模型，其中用户k具有方位角中心角θ

其中

下面对本发明所提出的基于CMAB的TSB技术方案进行介绍，其中：

第一方面，对公式问题进行相关推理，包括：

在提出的TSB方案的第一阶段，预波束形成矩阵由DFT矩阵D＝[d

我们将保持不变的统计CSI间隔定义为时间块(TB)。假设用户k的AR在第

用

是个稀疏向量。其中，∩指集合的交集符号，

/>

其中，n

其中，

而

主要问题是在DTL有限的情况下，设计

预波束形成矩阵设计问题就是

s.t.max

其中

第二方面，对其自适应角度范围进行相应调整，包括：

在从上一小节中，

考虑(3)，假设

/>

式中第t个时刻用户k在第m个向量的信道

设

第三方面，提出基于CMAB的TSB算法，包括：

本发明提出了一种基于CMAB求解

其中

其中

在每个时隙中，我们使用x表示是否在超级臂中选择了基臂，其中x

最大化UCB值的问题是

s.t. Ax≤τe (15)

其中e是所有元素均为1的向量。

为了减少DTL，从而改善ESE，应找到准确的AR

则

s.t.A

其中不考虑

s.t.A

和/>

我们已经展示了在每个时隙中获得超级臂的过程。在每个时隙中，可以更新每个基本臂的奖励。然后，我们使用LLR计算候选集中基本臂的功率。如果确定候选集中的基臂具有零或非零幂，则应更新边缘向量。算法1中给出了详细信息。

算法1：基于CMAB的TSB算法

数据：

结果：

步骤1：初始化m

步骤2：对于每一个k，计算

步骤3：利用(12)计算u

步骤4：根据所提算法解决

步骤5：计算似然比并更新lo

定理1：CMAB算法的预期遗憾是O(ln t)。

证明：在(10)中，存在一个常数

其中，当事件x为真时，1(x)为1，当其为假时，则为0。当I

其中

表示以下事件中至少有一个必须为真。

事件ε1:

事件ε2:

事件ε3:

其中最佳动作a

在(9)中，

可知，/>

其中

因此，

从而

/>

而且事件ε1概率的平均值为

类似的，事件ε2概率的平均值为

令，并设

并且

由于

使得E3总是满足。注意

并且

因此，动作i在t时刻的数值Z

本申请，在CMAB过程中，采用最大似然检测方法确定功率角谱(PAS)，并迭代减小角度范围。证明了该方法能够实现随时间对数增长的结果。仿真结果也验证了该方案的良好性能。

下面结合具体实施方式对本发明实施例中的方法进行仿真验证说明。

在该仿真实例中，我们通过仿真证明了所提出的基于CMAB的方案的效率。天线数量为128。用户的中心角均匀分布在

其中τ表示用户k的DTL，T

图1比较了不同SNR下不同方案的ESE。用户数量分别为10和16。Δ设置为15°,基于CMAB的方案实现了比NJSDM和ACS方案更高的ESE。这是因为，ACS和NJSDM花费许多时隙来估计CCM。对于10个用户，CMAB、NJSDM和ACS方案分别低于对于16个用户的CMAB、NJSDM和ACS方案。图2示出了在不同用户数量下不同方案的ESE。SNR为10dB。Δ是15°,我们的CGTSB方案比其他方案具有更高的ESE。通过增加用户数量，CGTSB方案的ESE先增加，然后减少。原因如下。

对于少量用户，用户间干扰不大，多用户增益提高了ESE。然而，当用户数量较大时，用户间干扰较高，从而降低了ESE。图3比较了不同DTL下不同方案的ESE。SNR为10dB。Δ是15°,CMAB比ACS具有更高的性能。CMAB和ACS方案的ESE先增大后减小。这是因为，对于小DTL，DTL的影响减小。通过增加DTL，DFT向量的数量将增加，从而提高频谱效率。因此，ESE增加。然而，当DTL较大时，DTL将很重要。通过增加DTL，频谱效率将不会增加，因此ESE将降低。NJSDM方案的ESE保持不变，因为NJSDM与DTL无关。

图4示出了CMAB方案在每个时隙中的ESE。信噪比为10dB，DTL为30。由于UCB策略的特点，CMAB方案的预期ESE首先增加，然后随着时隙的增加而收敛。什么时候Δ较大时，它将花费更多的时隙来利用动作，因此ESE收敛速度较慢。

本发明将预波束形成矩阵设计问题转化为CMAB问题。将每个时隙内的预波束形成矩阵设计作为CMAB中的臂选择问题，再将臂选择问题转化为0-1整数线性规划问题，并用分支定界法进行求解。在训练过程中，采用最大似然法检测角度谱的功率，自适应确定用户的角度范围。本发明证明了遗憾随时间呈对数增长，使所提出的方案收敛于最优行动，且本发明相较于之前的方法能够显著提高频谱效率能够在不需要CCM的情况下，显著减少信道估计的开销并提高频谱效率。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。