CN110958041B - 一种毫米波***动态用户混合预编码方法 - Google Patents

一种毫米波***动态用户混合预编码方法 Download PDF

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CN110958041B CN201910965145.8A CN201910965145A CN110958041B CN 110958041 B CN110958041 B CN 110958041B CN 201910965145 A CN201910965145 A CN 201910965145A CN 110958041 B CN110958041 B CN 110958041B
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Abstract

本发明涉及一种毫米波***动态用户混合预编码方法，包括：获取每个用户的信道状态信息，并将每个用户相邻时隙的信道状态信息存储于存储单元中；根据存储的信道状态信息，得到每个用户的最优传播径；判断最优传播径是否为直射径，得到每个用户的判断结果；根据判断结果得到每个用户的状态；根据用户的状态，设计用户的模拟预编码矩阵；根据模拟预编码矩阵，设计用户的数字预编码矩阵；根据模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵，进行数据传输。本发明的方法只通过对用户相邻时隙的信道状态信息进行比较判断即可得到每个用户的状态，提高了用户状态检测的效率以及降低了检测的复杂度，并根据检测的用户实时状态，提出了自适应的混合预编码方法。

Description

一种毫米波***动态用户混合预编码方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种毫米波***动态用户混合预编码方法。
背景技术
作为第五代移动通信***的关键技术之一，毫米波可以在有效解决全球性频段紧张问题同时极大地提升***传输速度和频谱效率。但是，毫米波***中稀疏信道和窄波束使得其性能极易受***中用户状态的影响。例如，当毫米波波束被人体阻挡，将损失约35dB的波束增益。除此之外，当用户运动时，毫米波波束增益也会遭受不同程度的衰减。
针对毫米波部分连接天线阵***中预编码问题，目前很多学者已进行了深入的研究，例如，利用模拟预编码矩阵块对角化结构和半正定松弛算法设计模拟预编码矩阵以降低混合预编码矩阵和全数字预编码矩阵的欧氏距离；通过在波束空间内穷搜索以得到最优的传输方向并将该方向对应的阵列导向矢量作为模拟预编码矩阵的相应列以简化混合预编码矩阵的设计复杂度；通过将传统模拟预编码矩阵的优化问题转化为幅度和相位分别优化的子问题以降低优化过程中的计算复杂度。
然而，传统混合预编码算法仅考虑优化静态用户的和速率性能以及简化静态用户混合预编码矩阵设计过程中的计算复杂度。当***中存在动态用户时，传统混合预编码算法的和速率性能将极易受到***中用户状态影响。因此上述传统算法不适用于动态用户场景，或很难维持其预期性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种毫米波***动态用户混合预编码方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现，本发明提供了一种毫米波***动态用户混合预编码方法，用于毫米波部分连接天线阵***，包括：
获取每个用户的信道状态信息，并将每个用户相邻时隙的所述信道状态信息存储于存储单元中；
根据存储的所述信道状态信息，得到每个用户的最优传播径；
判断所述最优传播径是否为直射径，得到每个用户的判断结果；
根据所述判断结果得到每个用户的状态；
根据所述用户的状态，设计用户的模拟预编码矩阵；
根据所述模拟预编码矩阵，设计用户的数字预编码矩阵；
根据所述模拟预编码矩阵和所述数字预编码矩阵，进行数据传输。
在本发明的一个实施例中，获取每个用户的信道状态信息，并将每个用户相邻时隙的所述信道状态信息存储于存储单元中，包括：
基站获取每个用户在波束训练时隙内扫描得到的所述信道状态信息Hm，
Figure BDA0002230244020000021
其中，Hm表示第m个用户的信道状态信息矩阵，M表示用户个数，
Figure BDA0002230244020000022
表示第m个用户的直射径的信道状态矩阵，
Figure BDA0002230244020000023
表示第m个用户的第i个非直射径的信道状态矩阵，K表示莱斯因子，Pm表示第m个用户的传播径个数，
Figure BDA0002230244020000024
表示第m个用户的第i个非直射径的复路径增益；
将每个用户的第t-1个时隙和第t个时隙的所述信道状态信息分别存储在第一存储单元和第二存储单元，其中t≥1。
在本发明的一个实施例中，根据存储的所述信道状态信息，得到每个用户的最优传播径，包括：
根据以下公式得到所述第一存储单元和所述第二存储单元中每个用户的最优传播径，
Figure BDA0002230244020000025
其中，g表示存储单元，
Figure BDA0002230244020000026
表示用户在第g个存储单元中最优传播径对应的出发角，
Figure BDA0002230244020000027
表示用户在第g个存储单元中最优传播径对应的到达角，
Figure BDA0002230244020000028
表示用户在第g个存储单元中第x根传播径的复路径增益，| |表示取绝对值，max表示取最大值，
Figure BDA0002230244020000029
表示第m个用户在第g个存储单元中的传播径个数。
在本发明的一个实施例中，判断所述最优传播径是否为直射径，得到每个用户的判断结果，包括：
若所述最优传播径满足
Figure BDA0002230244020000031
则用户在第g存储单元的所述最优传播径为直射径，若所述最优传播径满足
Figure BDA0002230244020000032
则用户在第g存储单元的所述最优传播径为非直射径，
其中，ε表示直射径和非直射径的门限值，0≤ε≤μAS，μAS表示传播波束的角度扩展的平均值。
在本发明的一个实施例中，根据所述判断结果得到每个用户的状态，包括：
若用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中的最优传播径均为直射径，则执行以下步骤：
若用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中的最优传播径的出发角满足
Figure BDA0002230244020000033
则用户处于静止状态，若用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中的最优传播径的出发角满足
Figure BDA0002230244020000034
则用户处于运动状态，
其中，δ表示用户运动和静止状态的判断阈值，
Figure BDA0002230244020000035
μAS表示传播波束的角度扩展的平均值，BW表示基站传播波束的半功率波束宽度；
若用户在所述第一存储单元中的最优传播径为直射径，在所述第二存储单元中的最优传播径为非直射径，则执行以下步骤：
根据以下公式匹配用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中最相近的非直射径，得到
Figure BDA0002230244020000036
个路径对，
Figure BDA0002230244020000037
若
Figure BDA0002230244020000038
个路径对中至少2个路径对的出发角的角度差满足
Figure BDA0002230244020000039
则用户处于阻塞+运动状态，否则用户处于阻塞状态；
若用户在所述第一存储单元中的最优传播径为非直射径，在所述第二存储单元中的最优传播径为直射径，则执行以下步骤：
根据以下公式匹配用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中最相近的非直射径，得到
Figure BDA00022302440200000310
个路径对，
Figure BDA00022302440200000311
若
Figure BDA0002230244020000041
个路径对中至少2个路径对的出发角的角度差满足
Figure BDA0002230244020000042
则用户处于运动状态，否则用户处于静止状态；
若用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中的最优传播径均为非直射径，则执行以下步骤：
根据以下公式匹配用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中最相近的非直射径，得到
Figure BDA0002230244020000043
个路径对，
Figure BDA0002230244020000044
若
Figure BDA0002230244020000045
个路径对中至少2个路径对的出发角的角度差满足
Figure BDA0002230244020000046
则用户处于阻塞+运动状态，否则用户处于阻塞状态。
在本发明的一个实施例中，根据所述用户的状态，设计用户的模拟预编码矩阵，包括：
对所述用户的状态进行优先级排序，其中，
静止>阻塞>运动>阻塞+运动；
根据所述优先级排序，设计第一个用户的模拟预编码矩阵；
设计其他用户的模拟预编码矩阵，得到所有用户的模拟预编码矩阵。
在本发明的一个实施例中，根据所述优先级排序，设计第一个用户的模拟预编码矩阵，包括：
i.令m＝1，wm为全零向量，模拟预编码矩阵FRF为全零矩阵，对第一个用户的状态进行判断，其中，所述模拟预编码矩阵FRF为，
Figure BDA0002230244020000047
其中，模拟预编码矩阵FRF的维度为
Figure BDA0002230244020000048
Nt表示基站的发射天线数，
Figure BDA0002230244020000049
表示基站的发送子阵个数，fl表示基站的第l个发送子阵的模拟预编码向量，
Figure BDA00022302440200000410
wm表示第m个用户维度为Nr×1的接收合并向量，Nr表示每个用户的接收天线数；
ii.若所述第一个用户的状态为静止或阻塞状态，则
Figure BDA0002230244020000051
f1＝aN(φs)，
wm(1:N)＝aN(θs)，
n＝1，
Figure BDA0002230244020000052
其中，φs表示用户的传播波束的出发角，θs表示用户的传播波束的到达角，用户的传播波束为路径增益最大径对应的出发角和到达角，wm(1:N)表示第m个用户接收合并向量的第1个到第N个元素，n表示基站中被使用的发送子阵个数，
Figure BDA0002230244020000053
aN(x)表示阵列导向矢量，N表示基站的每个发送子阵的线性天线个数，
Figure BDA0002230244020000054
λ表示载波波长，d表示天线阵元之间的间距，
Figure BDA0002230244020000055
iii.若所述第一个用户的状态为运动或运动+阻塞状态，则通过基站中相邻Nc个发送子阵的协作，以及用户的Nc个接收子阵的协作以进行波束合并，且相邻的所述发送子阵和相邻的所述接收子阵的传输波束角度差为
Figure BDA0002230244020000056
那么，
Figure BDA0002230244020000057
若所述第一个用户运动方向的切线方向为逆时针方向，那么，
Figure BDA0002230244020000058
Figure BDA0002230244020000059
Figure BDA00022302440200000510
Figure BDA0002230244020000061
Figure BDA0002230244020000062
n＝Nc，
若所述第一个用户运动方向的切线方向为顺时针方向，那么，
Figure BDA0002230244020000063
Figure BDA0002230244020000064
Figure BDA0002230244020000065
Figure BDA0002230244020000066
Figure BDA0002230244020000067
n＝Nc；
其中，wm(N+1:2N)表示第m个用户接收合并向量的第N+1个到第2N个元素，wm[(Nc-1)N+1:NcN]表示第m个用户接收合并向量的第(Nc-1)N+1个到第NcN个元素；
iv.更新所述模拟预编码矩阵FRF的值；
在本发明的一个实施例中，设计其他用户的模拟预编码矩阵，得到所有用户的模拟预编码矩阵，包括：
i.为第m个用户选择传播波束，确定第m个用户的传播波束的出发角和到达角，
Figure BDA0002230244020000068
Figure BDA0002230244020000069
其中，|| ||2表示取2的范数，min表示取最小值；
ii.对第m个用户的状态进行判断，若所述第m个用户的状态为静止或阻塞状态，则，
Figure BDA0002230244020000071
fn+1＝aN(φs)，
wm(1:N)＝aN(θs)，
n＝n+1，
Figure BDA0002230244020000072
iii.若所述第m个用户状态为运动或运动+阻塞状态，则通过基站中相邻Nc个所述发送子阵的协作，以及用户的Nc个接收子阵的协作以进行波束合并，且相邻的所述发送子阵和相邻的所述接收子阵的传输波束角度差为
Figure BDA0002230244020000073
那么，
Figure BDA0002230244020000074
若所述第m个用户运动方向的切线方向为逆时针方向，那么，
Figure BDA0002230244020000075
Figure BDA0002230244020000076
Figure BDA0002230244020000077
Figure BDA0002230244020000078
Figure BDA0002230244020000079
n＝n+Nc，
若所述第m个用户运动方向的切线方向为顺时针方向，那么，
Figure BDA00022302440200000710
Figure BDA00022302440200000711
Figure BDA0002230244020000081
Figure BDA0002230244020000082
Figure BDA0002230244020000083
n＝n+Nc；
iv.更新所述模拟预编码矩阵FRF的值，令m＝m+1，重复步骤i-iv，迭代M-1次得到用户的所述模拟预编码矩阵FRF。
在本发明的一个实施例中，根据所述模拟预编码矩阵，设计用户的数字预编码矩阵，包括：
构造第m个用户的组合干扰矩阵
Figure BDA0002230244020000084
Figure BDA0002230244020000085
Figure BDA0002230244020000086
其中，
Figure BDA0002230244020000087
的维度为M-1×M，
Figure BDA0002230244020000088
表示第m个用户的有效信道向量；
对所述第m个用户的组合干扰矩阵
Figure BDA0002230244020000089
进行奇异值分解，
Figure BDA00022302440200000810
其中，Um表示组合干扰矩阵
Figure BDA00022302440200000811
的左奇异矩阵，Vm表示组合干扰矩阵
Figure BDA00022302440200000812
的右奇异矩阵，Λm表示奇异值对角矩阵；
根据所述右奇异矩阵Vm，得到所述第m个用户的数字预编码向量FBB(:,m)，
FBB(:,m)＝Vm(:,M)，
其中，FBB(:,m)表示数字预编码矩阵FBB的第m列，Vm(:,M)表示所述右奇异矩阵Vm的第M列；
令m＝m+1，重复上述步骤，迭代M-1次得到用户的所述模拟预编码矩阵FBB。
在本发明的一个实施例中，根据所述模拟预编码矩阵和所述数字预编码矩阵，进行数据传输，包括：
基站根据所述信道状态信息、所述模拟预编码矩阵、所述数字预编码矩阵以及所述用户的接收合并向量，进行数据传输，第m个用户的接收信号ym为，
Figure BDA0002230244020000091
其中，nm表示第m个用户的接收噪声向量，x表示传输的信号向量。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的毫米波***动态用户混合预编码方法中，在不借助用户定位***或陀螺仪的情况下，只通过对用户相邻时隙的信道状态信息进行比较判断即可得到每个用户的状态，提高了用户状态检测的效率以及降低了检测的复杂度；
2、本发明的毫米波***动态用户混合预编码方法，通过利用相邻天线子阵的协作以及使得相邻子阵传播波束出发角和到达角间隔为
Figure BDA0002230244020000092
的情况下，合成平稳宽波束，从而在提高毫米波***中运动用户的稳定性的同时延长了运动用户移动到波束外的时间，而且有效的延长了***波束的训练周期。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种***模型图；
图2是本发明实施例提供的一种毫米波***动态用户混合预编码方法流程图；
图3是本发明实施例提供的一种波束模式对比图；
图4是本发明实施例提供的另一种波束模式对比图；
图5是本发明实施例提供的一种用户运动时和速率随时间变化仿真图；
图6是本发明实施例提供的另一种用户运动时和速率随时间变化仿真图；
图7是本发明实施例提供的又一种用户运动时和速率随时间变化仿真图；
图8是本发明实施例提供的再一种用户运动时和速率随时间变化仿真图；
图9是本发明实施例提供的一种用户状态随机时和速率随时间变化仿真图；
图10是本发明实施例提供的另一种用户状态随机时和速率随时间变化仿真图；
图11是本发明实施例提供的又一种用户状态随机时和速率随时间变化仿真图；
图12是本发明实施例提供的再一种用户状态随机时和速率随时间变化仿真图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种毫米波***动态用户混合预编码方法进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种***模型图，如图所示，本实施例使用的毫米波通信***由毫米波部分连接天线阵基站、发送信道和用户构成。基站有
Figure BDA0002230244020000101
个发送子阵，每个发送子阵有N根天线，基站共有
Figure BDA0002230244020000102
根发射天线，***中有M个用户，每个用户有
Figure BDA0002230244020000103
个接收子阵，每个发送子阵有N根天线，每个用户均有
Figure BDA0002230244020000104
根接收天线，其中，每根天线相互独立，相邻天线之间间距为
Figure BDA0002230244020000105
每个用户状态是随机的，包括静止、运动、阻塞和阻塞+运动四种状态。
请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种毫米波***动态用户混合预编码方法流程图，如图所示，本实施例的方法包括：
S1：获取每个用户的信道状态信息，并将每个用户相邻时隙的所述信道状态信息存储于存储单元中；
具体地，包括：
S11：基站获取每个用户在波束训练时隙内扫描得到的所述信道状态信息Hm，
Figure BDA0002230244020000106
其中，Hm表示第m个用户的信道状态信息矩阵，M表示用户个数，
Figure BDA0002230244020000107
表示第m个用户的直射径的信道状态矩阵，
Figure BDA0002230244020000108
表示第m个用户的第i个非直射径的信道状态矩阵，K表示莱斯因子，Pm表示第m个用户的传播径个数，
Figure BDA0002230244020000109
表示第m个用户的第i个非直射径的复路径增益；
在本实施例中，所述信道状态信息包括每个用户与均匀线性天线阵基站之间的出发角、到达角和路径增益，
Figure BDA0002230244020000111
和
Figure BDA0002230244020000112
的表达式为，
Figure BDA0002230244020000113
Figure BDA0002230244020000114
Figure BDA0002230244020000115
Figure BDA0002230244020000116
其中，
Figure BDA0002230244020000117
λ表示载波波长，d表示天线阵元之间间距，
Figure BDA0002230244020000118
Figure BDA0002230244020000119
表示第m个用户第i个传播径的到达角，
Figure BDA00022302440200001110
表示第m个用户第i个传播径的出发角，i＝0,1,2,…,Pm-1，i＝0时为直射径，i≠0时为非直射径。
S12：将每个用户的第t-1个时隙和第t个时隙的所述信道状态信息分别存储在第一存储单元和第二存储单元，其中t≥1。
在本实施例中，第一存储单元和第二存储单元只存储每个用户的相邻时隙的信道状态信息，在需要存储下一个时隙的信道状态信息时，之前时隙的信道状态信息被覆盖或被删除。
S2：根据存储的所述信道状态信息，得到每个用户的最优传播径；
具体地，包括：
根据以下公式得到所述第一存储单元和所述第二存储单元中每个用户的最优传播径，
Figure BDA00022302440200001111
其中，g表示存储单元，
Figure BDA00022302440200001112
表示用户在第g个存储单元中最优传播径对应的出发角，
Figure BDA00022302440200001113
表示用户在第g个存储单元中最优传播径对应的到达角，
Figure BDA00022302440200001114
表示用户在第g个存储单元中第x根传播径的复路径增益，| |表示取绝对值，max表示取最大值，
Figure BDA00022302440200001115
表示第m个用户在第g个存储单元中的传播径个数。
S3：判断所述最优传播径是否为直射径，得到每个用户的判断结果；
具体地，包括：
若所述最优传播径满足
Figure BDA0002230244020000121
则用户在第g存储单元的所述最优传播径为直射径；
若所述最优传播径满足
Figure BDA0002230244020000122
则用户在第g存储单元的所述最优传播径为非直射径；
其中，ε表示直射径和非直射径的门限值，0≤ε≤μAS，μAS表示传播波束的角度扩展的平均值，在本实施例中，所述门限值根据***的角度扩展值和***需求设定。如上式所示，若用户在第g个存储单元中所述最优传播径的出发角和接收角之和的绝对值小于ε，则所述最优传播径为直射径，否则为非直射径。
S4：根据所述判断结果得到每个用户的状态；
在本实施例中，用户的状态包括静止、运动、阻塞和阻塞+运动四种状态，其中，静止状态表示用户没有阻塞且没有运动，运动状态表示用户处于移动的状态，阻塞状态表示毫米波波束被障碍物阻挡，阻塞+运动状态表示用户同时存在运动和阻塞的情况。
具体地，包括：
S41：若用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中的最优传播径均为直射径，则执行以下步骤：
若用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中的最优传播径的出发角满足
Figure BDA0002230244020000123
则用户处于静止状态；
若用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中的最优传播径的出发角满足
Figure BDA0002230244020000124
则用户处于运动状态；
其中，δ表示用户运动和静止状态的判断阈值，其取值根据***要求而定，在本实施例中，
Figure BDA0002230244020000125
μAS表示传播波束的角度扩展的平均值，BW表示基站传播波束的半功率波束宽度；
S42：若用户在所述第一存储单元中的最优传播径为直射径，在所述第二存储单元中的最优传播径为非直射径，则执行以下步骤：
根据以下公式匹配用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中最相近的非直射径，得到
Figure BDA0002230244020000126
个路径对，
Figure BDA0002230244020000131
若
Figure BDA0002230244020000132
个路径对中至少2个路径对的出发角的角度差满足
Figure BDA0002230244020000133
则用户处于阻塞+运动状态，否则用户处于阻塞状态；
S43：若用户在所述第一存储单元中的最优传播径为非直射径，在所述第二存储单元中的最优传播径为直射径，则执行以下步骤：
根据以下公式匹配用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中最相近的非直射径，得到
Figure BDA0002230244020000134
个路径对，
Figure BDA0002230244020000135
若
Figure BDA0002230244020000136
个路径对中至少2个路径对的出发角的角度差满足
Figure BDA0002230244020000137
则用户处于运动状态，否则用户处于静止状态；
S44：若用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中的最优传播径均为非直射径，则执行以下步骤：
根据以下公式匹配用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中最相近的非直射径，得到
Figure BDA0002230244020000138
个路径对，
Figure BDA0002230244020000139
若
Figure BDA00022302440200001310
个路径对中至少2个路径对的出发角的角度差满足
Figure BDA00022302440200001311
则用户处于阻塞+运动状态，否则用户处于阻塞状态。
本实施例的毫米波***动态用户混合预编码方法中，在不借助用户定位***或陀螺仪的情况下，只通过对用户相邻时隙的信道状态信息进行比较判断即可得到每个用户的状态，提高了用户状态检测的效率以及降低了检测的复杂度。
S5：根据所述用户的状态，设计用户的模拟预编码矩阵；
具体地，包括：
S51：对所述用户的状态进行优先级排序，其中，
静止>阻塞>运动>阻塞+运动；
在本实施例中，静止状态用户的处理优先级最高，首先进行数据传送处理，阻塞+运动状态的用户处理优先级最低，最后进行数据传送处理则，若同一状态中存在多个用户，多个用户之间的处理优先级不分先后，可以选择其中任一个用户开始进行数据传送处理。
S52：根据所述优先级排序，设计第一个用户的模拟预编码矩阵
具体地，包括以下步骤：
i.令m＝1，wm为全零向量，模拟预编码矩阵FRF为全零矩阵，对第一个用户的状态进行判断，其中，所述模拟预编码矩阵FRF为，
Figure BDA0002230244020000141
其中，模拟预编码矩阵FRF的维度为
Figure BDA0002230244020000142
Nt表示基站的发射天线数，
Figure BDA0002230244020000143
表示基站的发送子阵个数，在本实施例中，毫米波基站天线和用户天线为部分连接天线阵，fl表示基站的第l个发送子阵的模拟预编码向量，
Figure BDA0002230244020000144
wm表示第m个用户维度为Nr×1的接收合并向量，Nr表示每个用户的接收天线数；
ii.若所述第一个用户的状态为静止或阻塞状态，则
Figure BDA0002230244020000145
f1＝aN(φs)，
wm(1:N)＝aN(θs)，
n＝1，
Figure BDA0002230244020000146
其中，φs表示用户的传播波束的出发角，θs表示用户的传播波束的到达角，用户的传播波束为路径增益最大径对应的出发角和到达角，wm(1:N)表示第m个用户接收合并向量的第1个到第N个元素，n表示基站中被使用的发送子阵个数，
Figure BDA0002230244020000147
aN(x)表示阵列导向矢量，N表示基站的每个发送子阵的线性天线个数，
Figure BDA0002230244020000148
λ表示载波波长，d表示天线阵元之间的间距，
Figure BDA0002230244020000151
iii.若所述第一个用户的状态为运动或运动+阻塞状态，则通过基站中相邻Nc个发送子阵的协作，以及用户的Nc个接收子阵的协作以进行波束合并，用以增加传输波束的波束宽度，而且相邻的所述发送子阵和相邻的所述接收子阵的传输波束角度差为
Figure BDA0002230244020000152
那么，
Figure BDA0002230244020000153
若所述第一个用户运动方向的切线方向为逆时针方向，那么，
Figure BDA0002230244020000154
Figure BDA0002230244020000155
Figure BDA0002230244020000156
Figure BDA0002230244020000157
Figure BDA0002230244020000158
n＝Nc，
若所述第一个用户运动方向的切线方向为顺时针方向，那么，
Figure BDA0002230244020000159
Figure BDA00022302440200001510
Figure BDA00022302440200001511
Figure BDA00022302440200001512
Figure BDA00022302440200001513
n＝Nc；
其中，wm(N+1:2N)表示第m个用户接收合并向量的第N+1个到第2N个元素，wm[(Nc-1)N+1:NcN]表示第m个用户接收合并向量的第(Nc-1)N+1个到第NcN个元素；
在本实施例中，协作的相邻子阵Nc的个数根据***的需求而设定，基站中被使用的发送子阵的个数n在基站给用户传输数据的过程中累加计算，基站共有
Figure BDA0002230244020000161
个发送子阵。
iv.更新所述模拟预编码矩阵FRF的值；
具体地，将步骤ii或步骤iii中得到第一个用户的f1或f1到fNc的值更新至所述模拟预编码矩阵FRF中。
S53：设计其他用户的模拟预编码矩阵，得到所有用户的模拟预编码矩阵。
具体地，包括以下步骤：
i.为第m个用户选择传播波束，确定第m个用户的传播波束的出发角和到达角，
Figure BDA0002230244020000162
Figure BDA0002230244020000163
其中，|| ||2表示取2的范数，min表示取最小值；
ii.对第m个用户的状态进行判断，若所述第m个用户的状态为静止或阻塞状态，则，
Figure BDA0002230244020000164
fn+1＝aN(φs)，
wm(1:N)＝aN(θs)，
n＝n+1，
Figure BDA0002230244020000165
iii.若所述第m个用户状态为运动或运动+阻塞状态，则通过基站中相邻Nc个所述发送子阵的协作，以及用户的Nc个接收子阵的协作以进行波束合并，且相邻的所述发送子阵和相邻的所述接收子阵的传输波束角度差为
Figure BDA0002230244020000171
那么，
Figure BDA0002230244020000172
若所述第m个用户运动方向的切线方向为逆时针方向，那么，
Figure BDA0002230244020000173
Figure BDA0002230244020000174
Figure BDA0002230244020000175
Figure BDA0002230244020000176
Figure BDA0002230244020000177
n＝n+Nc，
若所述第m个用户运动方向的切线方向为顺时针方向，那么，
Figure BDA0002230244020000178
Figure BDA0002230244020000179
Figure BDA00022302440200001710
Figure BDA00022302440200001711
Figure BDA00022302440200001712
n＝n+Nc；
iv.更新所述模拟预编码矩阵FRF的值，令m＝m+1，重复步骤i-iv，迭代M-1次得到所有用户的所述模拟预编码矩阵FRF。
S6：根据所述模拟预编码矩阵，设计用户的数字预编码矩阵；
具体地，包括：
S61：构造第m个用户的组合干扰矩阵
Figure BDA0002230244020000181
Figure BDA0002230244020000182
Figure BDA0002230244020000183
其中，
Figure BDA0002230244020000184
的维度为M-1×M，
Figure BDA0002230244020000185
表示第m个用户的有效信道向量；
S62：对所述第m个用户的组合干扰矩阵
Figure BDA0002230244020000186
进行奇异值分解，
Figure BDA0002230244020000187
其中，Um表示组合干扰矩阵
Figure BDA0002230244020000188
的左奇异矩阵，Vm表示组合干扰矩阵
Figure BDA0002230244020000189
的右奇异矩阵，Λm表示奇异值对角矩阵；
S63：根据所述右奇异矩阵Vm，得到所述第m个用户的数字预编码向量FBB(:,m)，
FBB(:,m)＝Vm(:,M)，
其中，FBB(:,m)表示数字预编码矩阵FBB的第m列，Vm(:,M)表示所述右奇异矩阵Vm的第M列；
S64：令m＝m+1，重复S61-S64，迭代M-1次得到用户的所述模拟预编码矩阵FBB。
S7：根据所述模拟预编码矩阵和所述数字预编码矩阵，进行数据传输。
具体地，包括：
基站根据所述信道状态信息、所述模拟预编码矩阵、所述数字预编码矩阵以及所述用户的接收合并向量，进行数据传输，第m个用户的接收信号ym为，
Figure BDA00022302440200001810
其中，nm表示第m个用户的接收噪声向量，x表示传输的信号向量。
本实施例的毫米波***动态用户混合预编码方法，通过利用相邻天线子阵的协作以及使得相邻子阵传播波束出发角和到达角间隔为
Figure BDA00022302440200001811
的情况下，合成平稳宽波束，从而在提高毫米波***中运动用户的稳定性的同时延长了运动用户移动到波束外的时间，而且有效的延长了***波束的训练周期。
实施例二
本实施例是对实施例一中的毫米波***动态用户混合预编码方法的仿真实验。本实施例的仿真条件为：基站有15个发送子阵，每个发送子阵有20根天线，***中有5个用户，每个用户有3个接收子阵，每个接收子阵有20根天线，莱斯因子K为7dB，每个信号的发送功率为单位功率。
请参见图3和图4，其中，图3为采用本发明的方法且相邻协作子阵为Nc＝2以及未采用本发明方法的波束模式图的对比图；图4为采用本发明的方法相邻协作子阵为Nc＝2和Nc＝3的波束模式图对比图。如图3所示，采用Nc＝2的本发明方法的波束远远宽与未采用本发明方法的波束，如图4所示采用Nc＝3的本发明方法比采用Nc＝2的的本发明方法波束更宽且顶端更平稳，通过图3和图4对比，可以看出本发明方法在相邻子阵波束角度差为
Figure BDA0002230244020000191
的情况下，可通过多个子阵和成一个顶端更平稳的宽波束。
请参见图5-图8，是本发明实施例提供的用户在不同运动状态下采用本发明方法与不采用本发明方法的和速率随时间变化仿真图。其中，***中5个用户都处于运动状态，且每个用户仅有直射径，***中用户离基站的距离分别为5米、15米和35米，图5中用户的移动速度为2米/秒，图6中用户的移动速度为5米/秒，图7中用户的移动速度为15米/秒，图8中用户的移动速度为35米/秒。在图5中，当用户的移动速度为2米/秒，且离基站15米时，Nc＝3的波束合并算法(3个子阵的波束合并)可维持和速率性能在1000毫秒内保持不变，Nc＝2的波束合并算法(2个子阵的波束合并)在1000毫秒后和速率下降到13比特/秒/赫兹，而未采用波束合并算法的和速率性能在750毫秒后下降到5比特/秒/赫兹。如图6所示，利用Nc＝3的本发明方法，在距离15米、速度5米/秒的情况下，可以维持和速率在500毫秒内保持不变。未采用本发明方法的，在距离15米、速度5米/秒的情况下，和速率在300毫秒后衰减到5比特/秒/赫兹。如图7所示，当用户距离为35米，速度为15米/秒时，Nc＝2时本发明方法的和速率在200毫秒后衰减到5比特/秒/赫兹，Nc＝3时本发明方法的和速率在300毫秒之后衰减到5比特/秒/赫兹，而未采用本发明方法的和速率在100毫秒之后衰减到5比特/秒/赫兹。如图8所示，当用户速度为35米/秒时，采用Nc＝2和Nc＝3的本发明方法在距离为5米、15米和35米时均比未采用本发明方法的和速率性能好，特别地，当距离为35米，时间为500毫秒时，Nc＝2的本发明方法的和速率为4.5比特/秒/赫兹，Nc＝3的本发明方法的和速率为15比特/秒/赫兹和，而未采用本发明方法的和速率为1.5比特/秒/赫兹。从图5、图6、图7和图8可以看出，与未采用本发明方法的曲线相比，本发明方法可以有效地维持和速率性能，并延缓其和速率的下降速度。
请参见图9-图12，是本发明实施例提供的用户在随机状态下采用本发明方法与不采用本发明方法的和速率随时间变化仿真图。其中，***中所有用户状态随机，其状态包括静止、运动、阻塞和运动+阻塞，每个用户有5条传播径，用户离基站的距离分别为5米、15米和35米，图9中用户的移动速度为2米/秒，图10中用户的移动速度为5米/秒，图11中用户的移动速度为15米/秒，图12中用户的移动速度为35米/秒。第i个传播径从发射端到接收端的传播时延服从指数延迟分布，其公式为，
τ′i＝-γτDSln(Xi)，
其中，γτ＝3表示延迟缩放系数，DS表示延迟扩展，lgDS的均值为-0.28log10(1+fc)-7.173，fc＝28GHz为载波频率。然后，通过减去最小时延以归一化时延，并将时延按降序排列可得到第i径的时延，
τi＝sort{τ′i-min(τ′i)}，
其中，sort表示降序排列函数，min表示取最小值。
从图9、图10、图11和图12可以看出，本发明的方法可以提高动态用户的和速率性能，相比于Nc＝2时的本发明方法，Nc＝3时的本发明方法能将和速率性能保持更长时间。如图9所示，当用户移动速度为2米/秒，且距基站15米时，Nc＝2和Nc＝3的自适应混合预编码算法可在1000毫秒内将***和速率维持在20比特/秒/赫兹之上，而未采用自适应混合预编码算法的和速率在1000毫秒后下降到16比特/秒/赫兹。如图10所示，Nc＝3时本发明方法可将距离为5米，速度为5米/秒的用户的和速率性能维持500毫秒不变，但是，未采用本发明方法的和速率迅速降低。如图11所示，当距离为15米时，未采用本发明方法、采用Nc＝2时的本发明方法以及采用Nc＝3时的本发明的方法，其和速率分别在200毫秒、325毫秒和500毫秒后衰减到14比特/秒/赫兹，可以看出本发明方法可以有效地延缓动态用户的和速率性能衰减，提升***稳定性。如图12所示，当距离为15米时，未采用本发明方法、采用Nc＝2时的本发明方法以及采用Nc＝3时的本发明的方法，其和速率分别在200毫秒、300毫秒和500毫秒后衰减到14比特/秒/赫兹，可以看出本发明方法亦可以有效地缓解当用户速度为35米/秒，距离为15米时的和速率性能地衰落。因此本发明方法可以有效地延缓动态用户的和速率性能，提升***稳定性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种毫米波***动态用户混合预编码方法，其特征在于，包括：
获取每个用户的信道状态信息，并将每个用户相邻时隙的所述信道状态信息存储于存储单元中；
包括：基站获取每个用户在波束训练时隙内扫描得到的所述信道状态信息Hm，
Figure FDA0003125355650000011
其中，Hm表示第m个用户的信道状态信息矩阵，M表示用户个数，
Figure FDA0003125355650000012
表示第m个用户的直射径的信道状态矩阵，
Figure FDA0003125355650000013
表示第m个用户的第i个非直射径的信道状态矩阵，K表示莱斯因子，Pm表示第m个用户的传播径个数，
Figure FDA0003125355650000014
表示第m个用户的第i个非直射径的复路径增益；
将每个用户的第t-1个时隙和第t个时隙的所述信道状态信息分别存储在第一存储单元和第二存储单元，其中t≥1；
根据存储的所述信道状态信息，得到每个用户的最优传播径；
判断所述最优传播径是否为直射径，得到每个用户的判断结果；
根据所述判断结果得到每个用户的状态；
包括：若用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中的最优传播径均为直射径，则执行以下步骤：
若用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中的最优传播径的出发角满足
Figure FDA0003125355650000015
则用户处于静止状态，若用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中的最优传播径的出发角满足
Figure FDA0003125355650000016
则用户处于运动状态，
其中，δ表示用户运动和静止状态的判断阈值，
Figure FDA0003125355650000021
μAS表示传播波束的角度扩展的平均值，BW表示基站传播波束的半功率波束宽度，
Figure FDA0003125355650000022
表示用户在第g个存储单元中最优传播径对应的出发角，
Figure FDA0003125355650000023
表示用户在第g个存储单元中最优传播径对应的到达角；
若用户在所述第一存储单元中的最优传播径为直射径，在所述第二存储单元中的最优传播径为非直射径，则执行以下步骤：
根据以下公式匹配用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中最相近的非直射径，得到
Figure FDA0003125355650000024
个路径对，
Figure FDA0003125355650000025
表示第m个用户在第g个存储单元中的传播径个数，
Figure FDA0003125355650000026
若
Figure FDA0003125355650000027
个路径对中至少2个路径对的出发角的角度差满足
Figure FDA0003125355650000028
则用户处于阻塞+运动状态，否则用户处于阻塞状态；
若用户在所述第一存储单元中的最优传播径为非直射径，在所述第二存储单元中的最优传播径为直射径，则执行以下步骤：
根据以下公式匹配用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中最相近的非直射径，得到
Figure FDA0003125355650000029
个路径对，
Figure FDA00031253556500000210
若
Figure FDA00031253556500000211
个路径对中至少2个路径对的出发角的角度差满足
Figure FDA00031253556500000212
则用户处于运动状态，否则用户处于静止状态；
若用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中的最优传播径均为非直射径，则执行以下步骤：
根据以下公式匹配用户在所述第一存储单元和所述第二存储单元中最相近的非直射径，得到
Figure FDA0003125355650000031
个路径对，
Figure FDA0003125355650000032
若
Figure FDA0003125355650000033
个路径对中至少2个路径对的出发角的角度差满足
Figure FDA0003125355650000034
则用户处于阻塞+运动状态，否则用户处于阻塞状态；
根据所述用户的状态，设计用户的模拟预编码矩阵；
包括：
对所述用户的状态进行优先级排序，其中，
静止＞阻塞＞运动＞阻塞+运动；
根据所述优先级排序，设计第一个用户的模拟预编码矩阵；
具体包括：
i.令m＝1，wm为全零向量，模拟预编码矩阵FRF为全零矩阵，对第一个用户的状态进行判断，其中，所述模拟预编码矩阵FRF为，
Figure FDA0003125355650000035
其中，模拟预编码矩阵FRF的维度为
Figure FDA0003125355650000036
Nt表示基站的发射天线数，
Figure FDA0003125355650000037
表示基站的发送子阵个数，fl表示基站的第l个发送子阵的模拟预编码向量，l＝1,2,…,
Figure FDA0003125355650000038
wm表示第m个用户维度为Nr×1的接收合并向量，Nr表示每个用户的接收天线数；
ii.若所述第一个用户的状态为静止或阻塞状态，则
Figure FDA0003125355650000039
f1＝aN(φs)，
wm(1:N)＝aN(θs)，
n＝1，
Figure FDA0003125355650000041
其中，φs表示用户的传播波束的出发角，θs表示用户的传播波束的到达角，用户的传播波束为路径增益最大径对应的出发角和到达角，wm(1:N)表示第m个用户接收合并向量的第1个到第N个元素，n表示基站中被使用的发送子阵个数，
Figure FDA0003125355650000042
aN(x)表示阵列导向矢量，N表示基站的每个发送子阵的线性天线个数，
Figure FDA0003125355650000043
λ表示载波波长，d表示天线阵元之间的间距，
Figure FDA0003125355650000044
iii.若所述第一个用户的状态为运动或运动+阻塞状态，则通过基站中相邻Nc个发送子阵的协作，以及用户的Nc个接收子阵的协作以进行波束合并，且相邻的所述发送子阵和相邻的所述接收子阵的传输波束角度差为
Figure FDA0003125355650000045
那么，
Figure FDA0003125355650000046
若所述第一个用户运动方向的切线方向为逆时针方向，那么，
Figure FDA0003125355650000047
Figure FDA0003125355650000051
若所述第一个用户运动方向的切线方向为顺时针方向，那么，
Figure FDA0003125355650000052
其中，wm(N+1:2N)表示第m个用户接收合并向量的第N+1个到第2N个元素，wm[(Nc-1)N+1:NcN]表示第m个用户接收合并向量的第(Nc-1)N+1个到第NcN个元素；
iv.更新所述模拟预编码矩阵FRF的值；
设计其他用户的模拟预编码矩阵，得到所有用户的模拟预编码矩阵；
根据所述模拟预编码矩阵，设计用户的数字预编码矩阵；
根据所述模拟预编码矩阵和所述数字预编码矩阵，进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据存储的所述信道状态信息，得到每个用户的最优传播径，包括：
根据以下公式得到所述第一存储单元和所述第二存储单元中每个用户的最优传播径，
Figure FDA0003125355650000061
其中，g表示存储单元，
Figure FDA0003125355650000062
表示用户在第g个存储单元中最优传播径对应的出发角，
Figure FDA0003125355650000063
表示用户在第g个存储单元中最优传播径对应的到达角，
Figure FDA0003125355650000064
表示用户在第g个存储单元中第x根传播径的复路径增益，| |表示取绝对值，max表示取最大值，
Figure FDA0003125355650000065
表示第m个用户在第g个存储单元中的传播径个数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，判断所述最优传播径是否为直射径，得到每个用户的判断结果，包括：
若所述最优传播径满足
Figure FDA0003125355650000066
则用户在第g存储单元的所述最优传播径为直射径，若所述最优传播径满足
Figure FDA0003125355650000067
则用户在第g存储单元的所述最优传播径为非直射径，
其中，ε表示直射径和非直射径的门限值，0≤ε≤μAS，μAS表示传播波束的角度扩展的平均值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，设计其他用户的模拟预编码矩阵，得到所有用户的模拟预编码矩阵，包括：
i.为第m个用户选择传播波束，确定第m个用户的传播波束的出发角和到达角，
Figure FDA0003125355650000068
Figure FDA0003125355650000069
其中，|| ||2表示取2的范数，min表示取最小值；
ii.对第m个用户的状态进行判断，若所述第m个用户的状态为静止或阻塞状态，则，
Figure FDA0003125355650000071
fn+1＝aN(φs)，
wm(1:N)＝aN(θs)，
n＝n+1，
Figure FDA0003125355650000072
iii.若所述第m个用户状态为运动或运动+阻塞状态，则通过基站中相邻Nc个所述发送子阵的协作，以及用户的Nc个接收子阵的协作以进行波束合并，且相邻的所述发送子阵和相邻的所述接收子阵的传输波束角度差为
Figure FDA0003125355650000073
那么，
Figure FDA0003125355650000074
若所述第m个用户运动方向的切线方向为逆时针方向，那么，
Figure FDA0003125355650000075
若所述第m个用户运动方向的切线方向为顺时针方向，那么，
Figure FDA0003125355650000076
Figure FDA0003125355650000081
iv.更新所述模拟预编码矩阵FRF的值，令m＝m+1，重复步骤i-iv，迭代M-1次得到所有用户的模拟预编码矩阵FRF。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述模拟预编码矩阵，设计用户的数字预编码矩阵，包括：
构造第m个用户的组合干扰矩阵
Figure FDA0003125355650000082
Figure FDA0003125355650000083
Figure FDA0003125355650000084
其中，
Figure FDA0003125355650000085
的维度为M-1×M，
Figure FDA0003125355650000086
表示第m个用户的有效信道向量；
对所述第m个用户的组合干扰矩阵
Figure FDA0003125355650000087
进行奇异值分解，
Figure FDA0003125355650000088
其中，Um表示组合干扰矩阵
Figure FDA0003125355650000089
的左奇异矩阵，Vm表示组合干扰矩阵
Figure FDA00031253556500000810
的右奇异矩阵，Λm表示奇异值对角矩阵；
根据所述右奇异矩阵Vm，得到所述第m个用户的数字预编码向量FBB(:,m)，
FBB(:,m)＝Vm(:,M)，
其中，FBB(:,m)表示数字预编码矩阵FBB的第m列，Vm(:,M)表示所述右奇异矩阵Vm的第M列；
令m＝m+1，重复上述步骤，迭代M-1次得到用户的所述模拟预编码矩阵FBB。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述模拟预编码矩阵和所述数字预编码矩阵，进行数据传输，包括：
基站根据所述信道状态信息、所述模拟预编码矩阵、所述数字预编码矩阵以及所述用户的接收合并向量，进行数据传输，第m个用户的接收信号ym为，
Figure FDA0003125355650000091
其中，nm表示第m个用户的接收噪声向量，x表示传输的信号向量。
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