能够进行模拟预编码和模拟组合的方法

技术领域

本发明涉及无线通信，并且更具体地涉及用于多用户(MU)宽带毫米波(mmWave)系统(例如，宽带MU毫米波大规模多输入/多输出(MIMO)系统)中的无线电资源管理的技术。

背景技术

预计利用从30GHz(千兆赫)到300GHz的载波频率的毫米波(mmWave)无线通信成为例如未来5G蜂窝系统的关键特征。使用如此高频率的主要益处是，可以为更高的数据速率提供大得多的频谱。

毫米波传播的特征尤其在于自由空间中的高路径损耗、通过建筑材料的高穿透损耗、弱衍射和易受阻塞影响。因此，必须在发送方和接收方都使用高度定向的自适应天线阵列来补偿传播缺陷并且实现数百米距离的蜂窝覆盖范围。

定向阵列通常使用大量天线元件来构造，例如几十到几百个。除了高方向性增益外，大天线阵列的使用还增强了空间复用，因为可以实现更窄的波束。

实际上，宽带毫米波系统中的无线电资源管理比低于6GHz的常规系统中的无线电资源管理复杂得多。在具有大型天线阵列的系统中，由于高带宽混合信号组件昂贵且消耗大量电力，因此收发器处的射频(RF)链的数量必须小于天线的数量。为了减少RF链的数量，通常使用混合模拟/数字波束成形架构。

混合架构的优点之一是，附加的数字处理可以弥补模拟处理的精度不足(例如，由于仅以有限相位分辨力工作的移相器)。但是，在宽带毫米波系统的情况下，由于宽带系统的模拟RF(或简称为“RF”)波束成形在所有子载波之间被共享，而数字基带(或简称为“基带”)波束成形在子载波之间可能有所不同，因此用于无线电资源管理的波束成形设计(即，模拟和数字波束成形器的设计)比在低于6GHz下操作的传统LTE系统或窄带毫米波系统中复杂得多。

另外，在多用户(MU)系统中，可以将多个用户设备(UE，在下文中也称为“用户”或“接收机”)被分配给用于数据传输的同一资源块(RB)集合。因此，无线电资源管理必须考虑以下两个问题：

-用户分组，对UE分组以进行MU调度；以及

-资源分配，将时间资源和频率资源分配给多组UE。

用户调度、资源分配和将用户分组到多组UE的原理如图1所示。

图1表示由基站(BS)103(在下文中也称为“发射机”)服务的小区101，其包括多个活动UE 102a、102b、102c、102d。首先，可以选择活动UE 102a、102b、102c、102d中的多个活动UE 104以进行发送。所选择的UE(也称为被调度UE)在图1中被圈出。在宽带系统的情况下，然后可以将每个被调度UE分配给某个频带以在资源分配过程中进行发送。在多用户发送方案的情况下，可以在相同的时频资源(即，资源块集合，RB)中联合服务多个用户。为此，执行用户分组以形成UE的多用户组105a、105b，使得MU组的UE占用相同的时频资源106a、106b。例如，在具有L个子载波的宽带系统中，可以假设，对于每个子载波l＝1...L，在第l个子载波上联合服务K个用户(K≥1，K为整数)。在该情况下，每个MU组

图2a和图2b分别表示混合宽带无线系统中的发射机和接收机的示例。

根据图2a，发射机200配备有N

在发射机200处，对于每个子载波l(l＝1，...，L)，N

根据图2b所示的实施方式，第π(l，k)个接收机210π(l，k)(1≤k≤K且1≤l≤L)可以配备有

当然，图2a和图2b中表示的架构仅是可以执行本方法的混合宽带无线系统的示例。可以考虑其它系统。例如，在接收机处，可能仅存在模拟组合器，而不是模拟组合器和数字组合器两者。

这样的混合宽带无线系统的整体性能可以通过被称为“品质因数”的值来量化，并且可以发现品质因数是MU组

作为示例，下面提供了根据可能实施方式的用于无线电资源管理的品质因数是下行链路(DL)传输的平均宽带总速率的情况。

在该实施方式中，假设针对每个子载波上的多用户传输，联合服务K个接收机。在其它实施方式中，对于两个不同的子载波，被联合服务的接收机的数量可以是不同的。在每个子载波l(l＝1，...，L)上联合服务K个接收机(K≥2)的情况下，发射机在子载波l上发送的流的总数等于

此外，可以假定以下约束：

在接收机π(l，k)处接收到的信号

其中，M

在用户信道矩阵(或“信道状态信息”，CSI)H

可以假设数据符号向量的功率满足

混合架构的RF预编码器/组合器可以由移相器实现，每个收发器通过移相器的网络连接到每个天线。在这种情况下，矩阵F

θ

其中，Φ

在一个实施方式中，可以在接收机π(l，k)处使用最小均方误差(MMSE)基带数字波束成形。基带预编码器F

F

其中，F

其中，

下行链路(DL)传输的平均宽带总速率为：

其中，R

其中，

从对多个参数的联合优化(其中，一些参数在连续域中被优化，而其它参数在离散码本空间中被优化)的意义上说，为了使系统的整体性能最大化而联合优化

在现有技术的算法中，用户调度(即，确定MU组

因此，需要一种用于宽带多用户大规模MIMO系统中的用户调度和RF波束成形设计的方法，该方法具有良好的性能，同时又避免了高计算复杂性和巨大信令开销。

发明内容

本发明涉及一种波束成形方法，该波束成形方法由计算机实现以用于在毫米波通信系统中实现模拟预编码，该毫米波通信系统包括能够在多个子载波上服务多个接收机的发射机，该方法包括：

-联合确定模拟预编码矩阵F

-使用模拟预编码矩阵F

其特征在于，模拟预编码矩阵F

/a/关于模拟预编码矩阵F

/b/关于多用户组

其中，/a/和/b/被迭代地重复，直到满足停止准则为止。

如上所述，毫米波系统相对于常规通信系统受到附加约束(诸如，RF预编码和组合码本、RF预编码器和组合器的非频率选择性特性等)。因此，对于这些毫米波系统，预编码器和调度设计必须考虑这些特定约束，并且设计与常规低于6GHz系统有很大不同。本发明提出了利用基于调度问题(方法的步骤b/)和RF波束成形(方法的步骤a/)的联合交替优化的多阶段方法来解决在这些特定约束下的波束成形设计的问题。

在一个实施方式中，可以在/a/之后执行/b/。在/a/中，可以在联合确定的先前迭代中获得多用户组

这意味着通过“先前”和“当前”迭代的该方法的两个连续迭代，“先前”迭代指定紧接在“当前”迭代之前的迭代。

在另选实施方式中，/b/可以在/a/之前执行。在/a/中，可以在/b/的当前迭代中获得多用户组

在一个或多个实施方式中，可以通过使用模拟预编码码字集合

-在不假设第一矩阵

-确定至少一个模拟预编码码字，每个所确定的模拟预编码码字使到第一矩阵

-确定其列等于所确定的至少一个模拟预编码码字的模拟预编码矩阵F

另外，该方法可以进一步包括：确定至少一个模拟组合矩阵W

其中，波束成形函数和调度函数还可以是至少一个模拟组合矩阵W

其中，/a/中的优化可以是关于模拟预编码矩阵F

其中，可以通过至少一个模拟组合矩阵W

其中，至少一个所确定的模拟组合矩阵W

此外，可以通过使用模拟组合码字集合

-在不假设第二矩阵

-确定至少一个模拟组合码字，每个所确定的模拟组合码字使到第二矩阵

-确定其列等于所确定的至少一个模拟组合码字的模拟组合矩阵W

在一个或多个实施方式中，所述方法可以进一步包括：

-接收多个发送矩阵

-基于多个发送矩阵

并且，/a/还可以包括：

-确定多个模拟预编码子矩阵F

接收机集合的确定(也称为“聚类过程”)提供更好的折衷复杂性性能。通过该聚类过程，将解决F

必须理解，该聚类过程是可选的。然而，在不执行这种聚类的情况下，由于问题大小，用于BS处的集中式设计的搜索空间(用于调度设计)较大，并且复杂度(用于RF预编码器/组合器优化)增加。

在一个实施方式中，多个发送矩阵中的每个发送矩阵可以是模拟预编码码字，并且可以与多个子载波中的相应子载波以及多个接收机中的相应接收机相关联。

此外，每个发送矩阵可以对应于相应子载波上的发射机与各接收机之间的相应有效通信路径。

在毫米波通信系统中，与信道矩阵的大小相比，具有显著增益的路径数量非常小。仅使用有效路径有利地利用了信道稀疏性，因此限制了要在BS与UE之间交换的信息量。

此外，可以基于多个发送矩阵

本发明的另一方面涉及毫米波通信系统中的能够进行模拟预编码和模拟组合的发射机，该发射机能够在多个子载波上服务多个接收机。该发射机可以包括：

-用于联合确定模拟预编码矩阵F

-用于通过使用模拟预编码矩阵F

其特征在于，模拟预编码矩阵F

/a/关于模拟预编码矩阵F

/b/关于多用户组

其中，/a/和/b/被迭代地重复，直到满足停止准则为止。

本发明的另一方面涉及能够进行模拟预编码和模拟组合的毫米波通信系统，该系统包括如上限定的能够在多个子载波上服务多个接收机的发射机。

本发明的另一方面涉及一种非暂时性计算机可读存储介质，其上存储有包括程序指令的计算机程序，该计算机程序可加载到数据处理单元中并且适于当计算机程序由数据处理设备运行时使数据处理单元执行上述方法中的任一种。

参考附图，根据以下非限制性实施方式的描述，本文公开的方法和设备的其它特征和优点将变得明显。

附图说明

在附图的各个图中，以示例而非限制的方式示出了本发明，其中，相同的附图标记指代相同的元件，并且在附图中：

[图1]

图1表示宽带多用户系统中的用户调度、资源分配和用户分组。

[图2A]

图2A表示混合宽带无线系统中的发射机的示例。

[图2B]

图2B表示混合宽带无线系统中的接收机的示例。

[图3]

图3是描述在本发明的可能实施方式中在发射机处对MU组、RF预编码器F

[图4]

图4是描述在本发明的可能实施方式中基于所确定的用户集合

[图5]

图5是实现本发明的设备的可能实施方式。

具体实施方式

在解释说明书及其相关权利要求时，将以非排他性方式解释诸如“包括”、“包含”，“合并”、“含有”、“是”和“具有”的表述，即，解释为允许未明确限定的其它项目或组件也存在。对单数的引用也应被解释为对复数的引用，反之亦然。

在下文中，假设从有限尺寸RF预编码码本

在一个实施方式中，预编码码本

W

W

W＝W

其中，N

下面给出可以在本发明中使用的预编码码本

其中，码字向量c

第i个(i＝1，...，N

在两种情况下，码本中的每个码字都是长度N

当然，可以使用其它预编码码本。

本发明提出联合执行用户MU分组(即，确定将在不同子载波l＝1...L上被联合服务的K个UE的MU组

图3是描述在本发明的可能实施方式中在发射机处联合确定MU组

1/第一步骤302，在该步骤中，通过优化预定义RF波束成形设计准则

这样的优化可以是最大化或最小化：

或

2/第二步骤303，在该步骤中，通过优化预定义调度设计准则g(π(l，k)，F

这样的优化可以是最大化或最小化：

或

在以上过程的第一迭代之前，可以例如通过在用户集合

可以交替地重复步骤1/和2/，直到满足预定义收敛准则304为止。该收敛准则304可以例如基于当前迭代处的矩阵与先前迭代处的对应矩阵之间的数学距离。如果该距离小于预定阈值，则满足收敛准则，并且输出305

例如，可以在没有码本约束的情况下首先解决步骤1/的优化问题，即，通过选择优化

当然，步骤1/和2/可以以不同的顺序执行。在一些实施方式中，2/可以在1/之前执行。

必须注意，RF组合器W

如果在发射机侧的联合优化过程中确定了W

然后，每个被调度UE k可以反馈等效信道

现在提供上述联合确定过程的一些实施方式。这些实施方式利用毫米波系统中的通信信道的稀疏性。的确，在毫米波系统具有大天线阵列的情况下，许多路径被高度衰减，并且与信道矩阵H

因此，可以用非常少量的参数来描述第l个子载波上的BS与UEπ(l，k)之间的通信链路的信道矩阵H

其中，N

在一个实施方式中，AoD方向向量

必须注意，N

信道矩阵H

其中，

已经开发了现有技术的多种算法来确定信道矩阵的上述稀疏表示，并输出例如参数集

根据5G NR规范，波束管理过程包括以下操作：

-波束扫描：空间区域被覆盖有按照预先指定间隔和方向发送和接收的波束集合；

-波束测量：对于所有可能的BS/UE波束对(即，对于所有可能的预编码矩阵

-波束确定：在UE处基于其性能量度来选择至少一个波束对。例如，可以选择使性能量度最大化的一个或多个波束对，或者可以选择具有P个较高性能量度的P个波束对(其中，P是预定义整数)。

-波束报告：UE可以向BS报告所选波束对的索引(或多个索引)和相关联的质量指示符。

然后，可以在BS处基于所选波束对的索引(或多个索引)和相关的质量指示符来选择RF波束成形矩阵F

在本发明的一个实施方式中，在上述波束报告操作期间，UE可以反馈在波束确定操作期间选择的波束对

因此，发射机可以针对所有活动UE

基于LJ个接收子空间

在一个实施方式中，小区的所有活动UE以及所有子载波聚类到K个独立集合基于子空间

-计算维度为LJ×LJ(J为

-令D为对角矩阵，其第(i，i)个元素等于M

-找到Z的K个最大特征值(在重复特征值的情况下，选择为彼此正交的相应特征向量)，并且通过将特征向量堆叠在列中来形成矩阵

-通过将M

-将M

-当且仅当矩阵M

以上，

以上过程输出K个集合

可以使用任何数学相似性度量。下面给出两个子空间S

其中，d

其中，θ

当然，本发明不限于以上提出的算法类别。可以使用其它算法。例如，可以通过子空间的集合

在一个或多个实施方式中，可以根据所确定的用户集合

在下文中，RF预编码器F

如上所述，发射机可以针对小区的所有活动用户

在最大化系统的平均宽带总速率的情况下，以下给出了这种联合确定过程的第一示例。假设针对小区的所有活动用户

由于信息论广播信道与其双倍多路访问信道之间的信息论双重性，所有子载波上的下行链路传输的总速率可能由于其在所有子载波上具有相等功率分配的双重上行链路传输而被限制地较低。因此，跨所有子载波的下行链路传输的容量可以通过以下方式被限制地较低：

其中，ρ是功率缩放常数。

假设聚类减少了不同群集集合之间的多用户干扰，则可以写为

因此，上述不等式的右手边可以通过以下表达式来近似：

根据信道矩阵的稀疏表示，可以将H

因此，RF波束成形设计准则可以写为：

因此，可以按照以下执行根据该过程的步骤1/对RF预编码器和组合器的确定：

令

其表示对于所有

针对所有被调度用户，初始化RF组合器

对于所有l＝1，...，L和k＝1，...，K，令

初始化t＝0

当不满足收敛准则时，执行以下操作：

-对于k＝1，...，K，计算

tr(X

其中，det(M)是矩阵M的行列式

-对于

tr(Y

t＝t+1

如果满足秩约束，则令

如果不满足秩约束，则对于k＝1，...，K执行以下随机化过程：

-生成随机高斯矩阵V

-令

-定义：

-将F

-重复N

在相应的码本

例如，可以通过随机选择RF组合码本

在以上过程中，认为如果矩阵F

必须注意，N

一直在最大化系统的平均宽带总速率的情况下，最大化的调度设计准则可以是：

已知RF预编码器和组合器在MU分组设计期间是固定的，上述优化是一种离散优化，其可以通过简单蛮力全搜索或高级方法(诸如，遗传算法)来求解。

在最大化最小接收等效信道增益的情况下，现在提供优化过程的第二示例。在这种情况下，可以将RF波束成形设计准则写为：

因此，可以按照以下执行根据以上过程的步骤1/对RF预编码器和组合器的确定：

令

针对所有被调度用户，对RF组合器

令

将t初始化为0。

当不满足收敛准则时，执行以下操作：

-对于k＝1，...，K，计算

tr(X

其中，t们M)是矩阵M的迹

-对于

tr(Y

t＝t+1

如果满足秩约束，则令

如果不满足秩约束，则执行第一示例的随机过程

在相应码本

可以如先前示例中那样执行针对所有被调度用户的RF组合器

一直在最大化最小接收等效信道增益的情况下，最大化的调度设计准则可以是：

可以使用许多其它RF波束成形/调度设计准则。

例如，在宽带用户调度的情况下(即，每个被调度用户都占用所有子载波，并且不允许在不同子载波上分配不同用户的频率复用)，最大化的调度设计准则的示例是：

在调度的公平性问题的背景下，最大化的调度设计准则的示例是：

其中，α

“在调度的公平性问题的背景下”是指以下含义。通过优化调度准则，具有潜在更高速率的UE更有可能被调度。从系统操作角度来看，这是“不公平的”，因为某些潜在低速率UE可能永远无法获得传输的机会。为了克服该问题，可以应用许多技术。以上设计准则是这样的技术的示例，如上所述，引入一些正加权因子απ(l，k)以调整用户的瞬时速率。例如，如果长时间未调度一个UE，则可以增加其加权因子。在这种情况下，即使用户具有较低速率，也更可能会在一段时间后被调度。

已知RF预编码器和组合器在MU分组设计期间是固定的，上述优化是一种离散优化，其可以通过简单蛮力全搜索或高级方法(诸如，遗传算法)来求解。

图5是实现本发明的设备的可能实施方式。

在该实施方式中，设备500包括计算机，该计算机包括存储器505，以存储可加载到电路中并且适于在由电路504运行程序指令时使电路504执行本发明的步骤的程序指令。

存储器505还可以存储用于执行如上所述的本发明的步骤的数据和有用信息。

电路504可以例如是：

-适于以计算机语言解释指令的处理器或处理单元，该处理器或处理单元可以包括包含指令的存储器，可以与包含指令的存储器相关联或附接到包含指令的存储器，或者

-处理器/处理单元和存储器的关联，所述处理器或处理单元适于以计算机语言解释指令，所述存储器包括所述指令，或

-电子卡，其中，在硅中描述本发明的步骤，或

-可编程电子芯片，诸如，FPGA芯片(用于现场可编程门阵列)。

例如，所述设备可以被包括在发射机中，并且根据本发明的一个实施方式，针对小区的所有活动用户

为了简化与计算机的交互，可以提供屏幕601和键盘602并将其连接到计算机电路604。

此外，图3中表示的流程图可以表示可以由位于发射机中的处理器执行的程序的全部或部分步骤。这样，图3可以对应于本发明的含义内的计算机程序的一般算法的流程图。