技术领域
[0001] 本
发明属于通信领域，具体涉及一种在工作在毫米波/太赫兹频段的使用大规模天线阵列的多小区无线传输方法，尤其涉及一种适用于该场景下的同步方法，以及基于该同步方法的利用统计信道信息进行波束域网络传输的功率分配方法。
背景技术
[0002] 大规模多入多出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)系统基站利用大规模天线阵列同时服务多个用户，有效降低用户间干扰，提高无线通信系统的
频谱利用率和功率效率，被视为未来无线通信系统可能采用的一项重要技术。毫米波/太赫兹通信作为另一项重要技术凭借其宽带宽、窄波束的优点也得到了快速的发展。将大规模MIMO和毫米波/太赫兹通信相结合被认为是一种实用的观点，逐渐引起了人们关注。一方面，毫米波/太赫兹频段上
波长较短，因此基站和用户终端可以配置大规模天线阵列。另一方面，大规模MIMO带来的波束成形增益可以有效解决毫米波/太赫兹传输过程中高路径损耗的问题。
[0003] 毫米波/太赫兹传输不仅仅是将载频调整到毫米波/太赫兹频段，毫米波/太赫兹信道的中断效应、传输过程中严重的多径和
多普勒效应都会导致无线传输系统的性能
瓶颈。为缓解信道中断带来的影响，可以采用网络传输方法，将多个小区合并为一个传输网络，各基站可以向网络中所有用户终端发送
信号，突破传统多小区传输方法基站只能与小区内用户终端通信的限制。网络中配置一个中央
控制器，中央控制器依据得到的信道信息对所有基站的发送信号进行联合设计，在基站与小区用户终端信道发生中断的情况下，也会有网络中的其他基站与该用户进行通信，保证用户终端的通信需求。为了缓解毫米波/太赫兹传输过程中更加严重的多径、多普勒效应，需要在传统信号同步的
基础上探究效果更好的同步方法。此外，系统传输的性能很大程度上取决于基站侧获取的信道信息
质量，瞬时信道信息获取在大规模MIMO传输系统中较为困难，尤其是在网络传输过程中，小区基站间需要交互瞬时信道信息的巨大开销将会严重影响系统性能。针对上述问题，本发明提出了一种毫米波/太赫兹网络大规模MIMO无线传输方法，尤其涉及一种适用于该场景下的信号同步方法，以及基于该同步方法的利用统计信道信息进行波束域网络无线传输的功率分配方法。
发明内容
[0004] 发明目的：本发明的目的是提供一种工作在毫米波/太赫兹频段的网络大规模MIMO无线传输方法，以缓解传输过程中的中断效应、多径和多普勒效应。
[0005] 技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] 一种毫米波/太赫兹网络大规模MIMO无线传输方法，包括以下步骤：
[0007] (1)无线传输网络中各基站配置大规模天线阵列，基站利用天线阵列对应的酉变换生成大规模波束集合
覆盖整个无线传输网络，无线传输网络中各基站在生成的波束上与网络内各用户终端进行波束域无线通信；
[0008] (2)每个用户终端基于接收到的从基站发送的
同步信号单独估计每个波束上的时间和
频率调整参数；
[0009] (3)用户终端单独基于每个接收波束上的时间和频率调整参数估计值对接收到的信号进行时间和频率的同步，同步过后的波束域信号的多径和多普勒效应得到有效缓解，从而更接近于基站发送的原始波束域信号；
[0010] (4)无线传输网络中的基站获取波束域统计信道信息，通过回程链路将波束域统计信道信息发送给网络中央控制器，中央控制器基于波束域统计信道信息进行波束域发送信号功率分配，并将功率分配结果通过回程链路发送给各基站；
[0011] (5)当无线网络中的基站与所述用户终端之间的信道的波束域统计信道信息发生变化时，所述的网络大规模MIMO无线传输过程也将动态发生变化。
[0012] 所述步骤(1)中，每个基站配置大规模天线阵列。无线传输网络中各基站使用各自的天线阵列对应的酉变换生成大规模波束。每个基站的波束域变换酉矩阵的唯一确定的，并且不因用户终端
位置和信道状态而变化。与现有的基站只能和小区内的用户终端进行通信的多小区传输方法相区分，为了缓解毫米波/太赫兹频段的信道中断问题，所述方法中每个基站都可以和无线传输网络中所有用户终端进行波束域无线通信。
[0013] 所述步骤(2)中，针对于单个用户终端，根据基站发送的波束域同步信号，估计接收波束上的信号最小时间偏移，基于发送信号到用户终端接收波束的时间偏移量的估计值确定目标时间补偿参数，该时间补偿参数是采用该接收波束上的信号最小时间偏移。针对于单个用户终端，根据基站发送的波束域同步信号，估计接收波束上的信号最小
频率偏移和最大频率偏移，基于发送信号到用户终端接收波束的频率偏移量的估计值确定目标频率补偿参数，该频率补偿参数是该接收波束上的信号最小频率偏移量和最大频率偏移量的平均值。
[0014] 所述步骤(4)中，利用波束域统计信道信息在各基站发送功率约束条件下以最大化系统网络传输和速率为准则对各基站发送信号功率进行设计。波束域信道是指在用户终端对每个接收波束上的信号进行时域和频域同步以后得到的等效波束域信道。统计信道信息与
子载波无关的特点可以使得设计好的发送信号适用于所有子载波上的传输，极大降低传输设计复杂度。
[0015] 所述步骤(4)中，系统网络传输和速率为系统中各用户终端的遍历可达传输速率之和，将各用户终端传输速率表示为两项相减的形式，第一项为用户终端接收的信号与干扰加噪声的熵的期望的表达式，第二项为用户终端接收的干扰加噪声的熵的表达式；基于CCCP和确定性等同方法进行功率分配以最大化系统网络传输和速率。
[0016] 所述基于CCCP和确定性等同方法进行功率分配的方法具体包括：
[0017] (a)计算系统传输和速率表达式中各用户终端传输速率第一项的确定性等同表达。其中，确定性等同表达式中的确定性等同辅助变量是由波束域统计信道信息
迭代计算收敛得到。
[0018] (b)计算系统传输和速率表达式中各用户终端传输速率第二项关于功率分配矩阵的导数，得到表达式第二项的一阶泰勒级数展开。用泰勒级数展开项代替传输和速率表达式中各用户终端传输速率第二项，得到功率分配凸优化问题。
[0019] (c)利用KKT条件得到与凸优化问题等价的分式方程，对分式方程进行求解，得到波束域功率分配矩阵。该分式方程求解过程可以使用
牛顿法，或其他求解分式方程的方法。
[0020] (d)利用得到的功率分配矩阵重新计算得到系统网络传输和速率表达式中第一项的确定性等同表达和表达式第二项的泰勒级数展开，形成更新后的凸优化问题，并重新求解。迭代求解直到系统网络传输和速率收敛，即前后两次迭代结果的系统和速率之差小于给定
阈值。
[0021] 所述步骤(5)中，随着毫米波/太赫兹信道的变化和传输网络内用户终端的移动，统计信道信息发生变化，基站根据不同的场景以相应的时间间隔获取统计信道信息，动态实现波束域功率分配。
[0022] 有益效果：与
现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0023] 1.与现有的多小区传输方法相比，本发明将多个小区组合为一个网络，基站可以与无线传输网络内的所有用户终端进行通信。当网络内基站与某用户终端之间的信道产生中断时，其他基站可以与该用户终端进行通信，这一特点可以保障该用户终端的通信，从而提升整个传输网络的通信性能。
[0024] 2.由于传输性能易受传输过程中时间和频率扩展的影响，本发明对用户终端接收信号的每一个接收波束进行信号的时间同步和频率同步，有效降低时间和频率扩展。
[0025] 3.利用统计信道信息进行传输设计，所需波束域统计信道信息可以通过稀疏探测信号获得，该方法适用于时分双工和频分双工系统。同时由于统计信道信息与子载波无关的特点，传输设计结果适用于各个子载波，有效降低了系统传输设计复杂度。
[0026] 4.基于CCCP和确定性等同的迭代功率分配
算法能够有效降低物理层实现复杂度，并且能够获得近似最优的传输性能。
附图说明
[0027] 图1为毫米波/太赫兹大规模MIMO无线传输方法
流程图。
[0028] 图2为毫米波/太赫兹网络大规模MIMO无线传输系统示意图。
[0029] 图3为基于CCCP和确定性等同的迭代算法流程图。
具体实施方式
[0030] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明
实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0031] 如图1所示，本发明实施例公开的一种毫米波/太赫兹网络大规模MIMO无线传输方法，主要包括以下步骤：
[0032] (1)无线传输网络中各基站配置大规模天线阵列，基站利用天线阵列对应的酉变换生成大规模波束覆盖整个无线传输网络，对传输网络中不同位置不同方向的用户终端进行区分，无线传输网络中各基站与各用户终端在波束域进行无线通信；
[0033] (2)在用户终端的波束组中的每个波束上单独进行信号同步；每个用户终端基于接收到的从基站发送的同步信号单独估计每个波束上的时间和频率调整参数；
[0034] (3)用户终端单独基于每个接收波束上的时间和频率调整参数估计值对接收到的信号进行时间和频率的同步，同步过后的波束域信号的多径和多普勒效应得到有效缓解，从而更接近于基站发送的原始波束域信号；
[0035] (4)无线传输网络中的基站获取波束域统计信道信息，并将统计信道信息通过回程链路发送给网络中央控制器，中央控制器基于统计信道信息进行波束域发送信号功率分配，将功率分配结果通过回程链路发送给各基站；
[0036] (5)当无线网络中的基站与所述用户终端之间的信道的波束域统计信道信息发生变化时，所述的网络大规模MIMO无线传输过程也将动态发生变化。
[0037] 在优选的实施方式中，中央控制器利用波束域统计信道信息在各基站发送功率约束条件下以最大化系统网络传输和速率为准则对各基站发送信号功率进行设计。其中系统网络传输和速率为系统中各用户终端的遍历可达传输速率之和，优化问题设计时，将各用户终端传输速率表示为两项相减的形式，第一项为用户终端接收的信号与干扰加噪声的熵的期望的表达式，第二项为用户终端接收的干扰加噪声的熵的表达式；再基于CCCP和确定性等同方法进行功率分配，具体包括：
[0038] (a)计算系统传输和速率表达式中各用户终端传输速率第一项的确定性等同表达。其中，确定性等同表达式中的确定性等同辅助变量是由波束域统计信道信息迭代计算收敛得到。
[0039] (b)计算系统传输和速率表达式中各用户终端传输速率第二项关于功率分配矩阵的导数，得到表达式第二项的一阶泰勒级数展开。用泰勒级数展开项代替传输和速率表达式中各用户终端传输速率第二项，得到功率分配凸优化问题。
[0040] (c)利用KKT条件得到与凸优化问题等价的分式方程，对分式方程进行求解，得到波束域功率分配矩阵。该分式方程求解过程可以使用牛顿法，或其他求解分式方程的方法。
[0041] (d)利用得到的功率分配矩阵重新计算得到系统网络传输和速率表达式中第一项的确定性等同表达和表达式第二项的泰勒级数展开，形成更新后的凸优化问题，并重新求解。迭代求解直到系统网络传输和速率收敛，即前后两次迭代结果的系统和速率之差小于给定阈值。
[0042] 下面结合具体场景对本发明实施例的具体步骤进行说明：
[0043] 1.系统配置
[0044] 以图2所示的毫米波/太赫兹网络大规模MIMO无线传输系统为例，该系统为U个小区构成的网络，每个小区u∈{1,...,U}内包含一个基站和Ku个用户终端，系统中包含一个网络中央控制器。小区u中的基站配置 天线均匀面阵，该均匀面阵
水平方向和垂直方向的天线单元间距都是半波长量级，其中 和 分别为面阵水平维度和垂直维度的天线数。定义网络中的用户终端集合{(k,u)|u＝1,...U,k＝1,...Ku}，每个用户终端(k,u)配置Nk,u天线的半波长均匀线阵。与一般传输方法相区分，传输网络中的每一个基站能与网络中的每一个用户终端(k,u)进行通信。基站通过模拟或数字或混合波束赋形生成大规模波束覆盖整个传输网络。本实施例中，各基站天线拓扑结构相同，故可以采用统一的酉变换矩阵将空间域信号转换到波束域，在波束域向各个用户终端发送信号。本实施例采用基于循环前缀的
正交频分复用(OFDM)宽带调制方式。
[0045] 2.逐波束时频同步
[0046] 记Hk,u,v(t,f)为第v个小区内的基站到用户终端(k,u)在时间t和频率f处的复基带下行天线域信道响应矩阵，维度为Nk,u×Mv，Mv为第v个小区内的基站(基站v)的天线数。相应的波束域信道响应矩阵可以表示为 其中Vk,u和Uv分别是取决于用户终端(k,u)和基站v侧阵列拓扑的确定矩阵，即用户终端侧和基站侧的波束赋形矩阵。其中，当基站侧配置上述半波长均匀面阵，用户终端侧配置半波长均匀线阵时，FM为M×M的离散傅里叶变换(DFT)矩阵，表示矩阵的克罗内克
积， 和 分别为基站v面阵水平维度和垂直维度的天线数。
[0047] 由于多径效应时间扩展和多普勒扩展引起的频率扩展会对OFDM系统传输性能造成影响，我们需要对接收信号进行时频同步。与在不同天线上采用相同时频同步参数的天线域同步方法不同，我们在用户终端的每一个接收波束上对收到的波束域信号进行同步，从而缓解信道的多径效应和多普勒扩展。具体实施方式如下：
[0048] 基站侧周期性发送同步信号，用户终端根据各个波束接收到的同步信号可以利用现有的估计方法，如最小乘方(LS)估计，得到由多径效应引起的时延扩展和多普勒效应引起的频率扩展，然后确定该波束上的最小时间偏移、最小频率偏移和最大频率偏移，得到波束域时间和频率同步参数，然后对每个接收波束上的接收信号实施时频同步。用户终端(k,u)第i个波束上的最小时间偏移为 最小和最大频率偏移分别为 和 用户终端(k,u)第i个波束上的时间和频率补偿参数分别为 和 记yk,u,i(t)为用户终端(k,u)第i个波束的接收信号，对yk,u,i(t)加以 的时间补偿和 的频率补偿，补偿后的信号可以表示为
[0049]
[0050] 其中exp{·}为以自然对数为底的指数运算，是虚数单位，即
[0051] 用户终端(k,u)经过时频同步以后的接收信号矢量可以表示为：
[0052]
[0053] 其中T表示向量和矩阵的转置运算。通过去除循环前缀、DFT变换等操作，用户终端(k,u)在接收波束i、子载波s上的解调信号可以在数字域表示为：
[0054]
[0055] 其中xv,s为基站v在第s个子载波上发送的信号，Tc为OFDM符号长度，Gk,u,v,s为用户终端(k,u)处进行逐波束时频同步以后，基站v到用户终端(k,u)在子载波s上的等效波束域信道矩阵。基站v到用户终端(k,u)在子载波s上统计信道信息 其中⊙表示矩阵的阿达玛积。注意到统计信道信息与子载波无关，各个子载波上的统计信道信息相同，故可以省略子载波下标s，即Ωk,u,v＝Ωk,u,v,s。
[0056] 3.传输信号设计
[0057] 该场景下用户终端(k,u)收到的波束域信号可以表示为：
[0058]
[0059] 为简便起见上式中OFDM符号编号和子载波编号都已经被省略。上式中xk,u,v是基站v发送给用户终端(k,u)的维度为Mv×1波束域信号矢量，Gk,u,v是基站v到用户终端(k,u)的波束域信道矩阵，Gk,u＝[Gk,u,1,Gk,u,2,...,Gk,u,U]是由波束域信道矩阵重新排列成的维度为的信道矩阵， 是由波束域发送信号重新排列成的维度为的矢量，nk,u为零均值方差为σ2的白噪声。另外，定义波束域统计信道信息[0060] 假设用户终端(k,u)视干扰加噪声 为高斯噪声，方差为
其中 表示Nk,u×Nk,u单位矩阵， 是
重新排列的发送信号xi,j的协方差矩阵，上标H表示矩阵的共轭转置。表述简洁重新定义Q，用户终端(k,u)的遍历可达传输速率可以表示为：
[0061]
[0062] 定义
[0063]
[0064] fk,u,2(Q)＝logdet(Kk,u) (7)
[0065] 系统网络传输和速率可以表达为：
[0066]
[0067] 传输系统根据最大化系统网络传输和速率准则对波束域发送信号协方差矩阵进行设计，容易得到波束域发送信号协方差矩阵 为对
角阵时传输性能最优。发送信号协方差矩阵设计问题也就简化为功率分配问题，于是得到以下优化问题：
[0068]
[0069] 其中，为表述简洁重新定义Q， 是辅助基站功率约束的矩阵，diag{·}表示矢量对角化运算，Pv是基站v的功率约束，tr(·)表示计算矩阵的迹，＞0表示矩阵非负定。
[0070] 由于在计算系统网络传输和速率时，涉及到期望运算，需要用蒙特卡洛仿真对信道进行遍历。为了降低计算复杂度，本实施例使用大维随机矩阵理论计算用户终端的遍历可达传输速率的确定性等同。该方法只需要利用统计信道信息即可获得系统网络传输和速率的逼近结果。此外，此问题目标函数不是凸函数，故很难得到全局最优解，并且求解复杂度高。为此，本发明实例进一步采用基于CCCP的迭代算法求解上述优化问题。
[0071] 算法具体实施过程如下：
[0072] 步骤1：初始化设计的发送信号协方差矩阵Q(0)，设置迭代次数l＝0。在初始化发送(0)信号协方差矩阵Q 时，可以假设均匀功率分配，或是其他功率分配方法。
[0073] 步骤2：利用Q(i)迭代计算第i次CCCP迭代用到的确定性等同辅助变量 和Φk,u直到收敛
[0074]
[0075]
[0076] 上标-1表示矩阵取逆运算，Ck,u(X)生成Nk,u×Nk,u的对角矩阵，和Bk,u(Y)生成的对角矩阵，对角线上的元素表示为：
[0077] [Ck,u(X)]n,n＝tr{diag{([Ωk,u]n,:)T}X} (12)
[0078] [Bk,u(Y)]m,m＝tr{diag{([Ωk,u]:,m)}Y} (13)
[0079] 其中[X]n,:表示取矩阵X的第n行，[X]:,m表示取矩阵X的第m列。
[0080] 步骤3：利用确定性等同辅助变量 和Φk,u计算Γk,u和
[0081]
[0082]
[0083] 计算第l次CCCP迭代用户终端传输速率第一项 的确定性等同
[0084]
[0085] 同时计算系统网络传输和速率的确定性等同：
[0086]
[0087] 步骤4：计算第l次CCCP迭代需要用到的导数项 如下
[0088]
[0089] 其中 形成本次CCCP迭代如下凸优化问题：
[0090]
[0091] 其中
[0092]
[0093]
[0094] 步骤5：该优化问题可以进一步化简为
[0095]
[0096] 根据该优化问题的KKT条件得到与(22)等价的分式方程
[0097]
[0098] 拉格朗日乘子 满足 公式(23)中，γk,u,m、λk,u,m、δk,u,m和 分别为Γk,u、Qk,u、Δk,u和 的第m个对角元素， 为 的第n个对角线元素，辅助变量 和集合Sk,u,m,i,j分别为
[0099]
[0100]
[0101] 分式方程(23)的求解可以采用牛顿法，或其他分式方程求解方法。
[0102] 步骤6：根据分式方程(23)的解，重新确定性等同辅助变量计算系统网络传输和速率的确定性等同辅助变量 和Φk,u直至收敛，并且计算新的系统网络传输和速率的确定性等同
[0103] 步骤7：比较新的系统网络传输和速率的确定性等同 和上一次迭代的计算结果 如果两者之间的差值小于给定阈值ε，则停止迭代，Q(l+1)就是优化问题的解。否则令l＝l+1，并返回步骤4。
[0104] 由于统计信道信息和子载波无关，故该功率分配结果适用于所有子载波，大大降低了系统传输过程中发送信号设计的复杂度。
[0105] 用户终端移动过程中，随着波束域统计信道信息的变化，基站实时更新发送信号功率分配结果。波束域统计信道信息的变化与具体应用场景有关，其典型统计
时间窗是短时传输时间窗的数倍或数十倍，相关的统计信道信息的获取也在较大的时间宽度上进行。
[0106] 应当指出，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
