3d大规模mimo广覆盖预编码传输方法
阅读说明：本技术 3d大规模mimo广覆盖预编码传输方法 (3D large-scale MIMO wide-coverage pre-coding transmission method ) 是由 高西奇 郭伟然 卢安安 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种3D大规模MIMO广覆盖预编码传输方法,利用预编码产生广覆盖的功率图样,能够解决3D大规模MIMO公共信号传输的功率覆盖问题。本发明首先利用天线阵列高度和下倾角等信息,基于球心投影理论计算功率图样应当覆盖的角度范围,设置目标功率图样；然后再以预编码矩阵产生的功率图样与目标图样距离最小为目标,预编码矩阵属于oblique流形为约束构建优化问题；再基于流形优化理论,求得预编码矩阵。预编码矩阵产生的广覆盖的功率图样,其覆盖的角度范围可自由调整。本发明产生的辐射功率图样能抑制小区间干扰并且可以确保不同位置用户间的公平性。另外,本发明所提出的预编码,有利于充分利用基站端功放容量,进而取得高功率效率。(The invention discloses a 3D large-scale MIMO wide-coverage pre-coding transmission method, which can solve the problem of power coverage of 3D large-scale MIMO public signal transmission by utilizing pre-coding to generate a wide-coverage power pattern. Firstly, calculating an angle range to be covered by a power pattern based on a sphere center projection theory by utilizing information such as antenna array height, downward inclination and the like, and setting a target power pattern; then, the minimum distance between a power pattern generated by the pre-coding matrix and a target pattern is taken as a target, and the pre-coding matrix belongs to an obeque manifold and is taken as a constraint construction optimization problem; and then, based on the manifold optimization theory, a precoding matrix is obtained. The precoding matrix generates a wide-coverage power pattern, and the coverage angle range of the wide-coverage power pattern can be freely adjusted. The radiation power pattern generated by the invention can inhibit the interference among cells and can ensure the fairness among users at different positions. In addition, the precoding provided by the invention is beneficial to fully utilizing the power amplification capacity of the base station end, thereby obtaining high power efficiency.)
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及3D大规模MIMO广覆盖预编码传输方法。
背景技术
为提升用户体验，应对无线数据业务需求的快速增长以及新业务需求带来的挑战，未来新一代移动网络需要支持高质量、高传输率、高移动性、高用户密度、低时延等场景。通过在基站配备大规模天线阵列极大的提高系统容量的大规模多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Ouput)技术，是未来新一代无线网络的关键技术之一，也是近年来的研究热点。
大规模MIMO的其中一个挑战是为公共信道设计信号传输过程。与已被广泛研究的用于交换用户特有数据的专用信道不同，对公共信道传输方案的研究相对较少。公共信道在蜂窝系统中起着重要作用，许多必要的公共信息与服务是通过公共信道传递给用户的。因为公共信道服务于小区内的所有用户而不仅仅是特定的活跃用户，人们希望基站发送信号的辐射功率在小区内不同空间方向上几乎没有波动。因此小区内所有用户能可靠地接收到公共信号。
180度全向覆盖方案以及小于180度的广覆盖方案都是满足上文所述功率要求的自然选择。已有一些文献提出全向预编码设计方案以及广覆盖的预编码设计方案。然而这些方案尚未考虑应用于三维(3D，3-Dimentional)MIMO场景。考虑到3D MIMO相比于均匀线性阵列有额外的垂直方向自由度可用于设计俯仰角方向的功率图样，因此基于均匀面阵设计广覆盖的功率图样有进一步提高同步性能的可能。同步性能是初始小区发现过程中的重要指标。在该过程中并非能够获得所有用户的信道状态信息。在这种场景下，人们希望使用合理设计的功率图样来确保对小区范围的广覆盖。
一般地，可以使用漏检概率来表征系统的同步性能。为了确保整个小区范围内用户的同步性能，可以考虑在所有可能发射角度对应的位置具有相等的漏检概率。为确保所考虑角度范围内的广覆盖，一种自然的方案是通过半功率波束宽度来设计3D大规模MIMO的辐射功率图样。然而这种方案没有考虑小区的形状以及不同用户终端的路径损耗。若该方案未能与小区覆盖的形状相匹配，相应的功率图样就会引起小区间干扰。另外，不同用户终端相对于基站具有不同的路径损耗。为了确保不同用户间的公平性，功率图样在不同发射角上的增益也需要相应改变。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明公开了3D大规模MIMO广覆盖预编码传输方法，能够实现对小区范围的广覆盖，抑制小区间干扰，确保不同用户间的公平性，并取得高功率效率。
技术方案：为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明所述的3D大规模MIMO广覆盖预编码传输方法可根据希望覆盖的小区范围，计算功率图样所需覆盖的角度范围。采用Mt×St维度的广覆盖预编码矩阵W对发射信号进行处理，使得信号在设定的角度范围内功率大小可以调整，其中St是发射信号维度，Mt是发射天线数量。并且各天线单元上的发射信号功率相同，最大化各射频通道和天线阵列的功率效率。具体地，本发明所述的3D大规模MIMO广覆盖预编码传输方法，主要包括如下步骤：
(1)根据基站天线阵列高度、下倾角以及小区覆盖范围内用户终端对应的发射角度，设置所需广覆盖功率图样，所需广覆盖功率图样在样点上的取值正比于基站天线阵列与用户终端的距离的平方；
(2)以预编码矩阵产生的功率图样与所需广覆盖功率图样之间的相关矩阵距离最小为目标，预编码矩阵属于oblique流形为约束，构建优化问题并基于流形优化构建的共轭梯度法进行优化，求得最优预编码矩阵；
(3)基于求得的最优预编码矩阵对信号进行广覆盖预编码处理并发送，各天线单元上的发射信号功率相同。
进一步，基站天线阵列与用户终端的距离表示为用户终端在平面内的位置坐标以及基站天线与用户终端高度差的函数。具体地，基站天线阵列与某个用户终端的距离可表示为
进一步，用户终端在平面内的位置坐标可表示为
以及
其中θt表示发射信号俯仰角，φt表示发射信号方位角。并且α为机械下倾角。
进一步，所需广覆盖功率图样可记作图样B，是P×Q维矩阵。使用
其中
进一步，预编码矩阵W产生的功率图样是P×Q维矩阵。预编码矩阵W产生的功率图样为：
进一步，转换矩阵是导向矢量和天线阵元方向图的函数，矩阵Tq由下式定义：
其中
进一步，预编码矩阵W满足即预编码矩阵W在oblique流形
进一步， 预编码矩阵优化问题的目标函数可定义为：
进一步， 所述共轭梯度法包括以下步骤：
S1：设置搜索方向， 若循环计数为0，则设置搜索方向为负的黎曼梯度方向；
若循环计数大于0，则设置搜索方向为负的黎曼梯度方向与基于Hestenes-Stiefel规则修正的平行搬运方向之和；
S2：根据Armijo线性搜索设置步长μ(k)，直到其满足Wolfe条件；
S3：利用搜索方向和步长构建更新方程，更新预编码矩阵其中D(k)是搜索方向，μ(k)是搜索步长，运算符
S4：将当前预编码矩阵W(k+1)与上一轮预编码矩阵W(k)进行比较：如果差别小于阈值，则判定预编码矩阵收敛于最优预编码矩阵Wopt；否则，则判定预编码矩阵未收敛，返回步骤S1。
有益效果： 本发明基于基站天线阵列高度和机械下倾角等先验信息，考虑了小区的形状以及不同用户的路径损耗， 产生的辐射功率图样可以与小区形状相匹配， 因此能抑制小区间干扰。本发明考虑了不同用户终端与基站间的路径损耗， 产生的辐射功率图样能够根据损耗大小进行增益补偿，进而确保了不同用户间的公平性。另外，本发明所提出的预编码能够满足每个天线上具有相等的发射功率，有利于充分利用基站端功放容量，取得高功率效率。与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明提出的大规模MIMO广覆盖预编码传输方法能够实现功率图样的宽角度覆盖，同时预编码矩阵满足等功率约束条件，这意味着功放效率能得到大幅提高。本发明中的预编码矩阵列数不被限制为1，这意味着系统具备多个发射流数，不同数据流产生的功率图样与发射功率可以互补，因而更容易在实现功率图样宽角度覆盖的同时满足等功率约束条件。本发明提供的预编码矩阵搜索方法十分灵活，既可用于全向天线阵元的场景也可用于定向天线阵元的场景。本发明能灵活应用于具有不同下倾角的场景。相比于基于半功率波束宽度的广覆盖预编码方案，本发明具有更好的同步性能并且对相邻小区的干扰更小。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程图；
图2为3D大规模MIMO系统配置示意图；
图3为图2的侧视图，用于展示所考虑场景中空间几何数量之间的关系；
图4为单个天线阵元的辐射功率图样示例图；
图5为本发明所提出方案与对照方案的功率图样结果比较图；
图6为本发明所提出方案与对照方案的接收功率结果比较图；
图7为在视距信道场景下，本发明所提出方案与对照方案的漏检概率结果比较图；
图8为在非视距信道场景下，本发明所提出方案与对照方案的漏检概率结果比较图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明方法主要适用于基站侧配备大规模天线阵列以同时服务多个用户的3D大规模MIMO系统。如图1所示，本发明实施例公开的3D大规模MIMO广覆盖预编码传输方法，首选根据基站天线阵列高度、下倾角以及小区覆盖范围内用户终端对应的发射角度，设置所需广覆盖功率图样，所需广覆盖功率图样在样点上的取值正比于基站天线阵列与用户终端的距离的平方；然后，以预编码矩阵产生的功率图样与所需广覆盖功率图样之间的相关矩阵距离最小为目标，预编码矩阵属于oblique流形为约束，构建优化问题并基于流形优化构建的共轭梯度法进行优化，求得最优预编码矩阵；最后基于求得的最优预编码矩阵对信号进行广覆盖预编码处理并发送，各天线单元上的发射信号功率相同。
下面结合具体的通信系统实例对本发明涉及广覆盖预编码传输方法的具体实现过程作详细说明，需要说明的是本发明方法不仅适用于下面示例所举的具体系统模型，也同样适用于其它配置的系统模型。
一、系统模型
考虑3D大规模MIMO广播系统。基站所配置的大规模天线阵列有多个扇面，每个扇面由Mt个天线单元构成均匀矩形阵列。设My和Mz分别是沿y轴和z轴的天线数量，那么Mt＝MyMz。各天线单元可采用全向天线或扇区天线。大规模天线阵列也可以采用圆阵列或其它方便安装的阵列结构。大规模天线阵列中各天线单元通过各自的收发射频单元、模数/数模转换单元、数字光模块及光纤传输通道与数字基带处理单元相连。令θt表示俯仰角，φt表示方位角，对均匀矩形阵列而言，导向矩阵可表示为：
其中
以及
在以上两式中，uy＝cosθtsinφt和uz＝sinθt为方向余弦。另外，沿y和z轴相邻天线单元的间距分别记作dy和dz。载波波长记作λ。定义导向矢量为
考虑用户终端分布于一个二维平面环境中，并具有固定的高度(典型值1.5米)。令点C表示均匀矩形阵列的中心，点O表示基站塔的位置。通过选择原点C构建球面坐标系，并通过原点O构建笛卡尔坐标系。在这种情况下，信号传输方向可由球面坐标系表示为(θt,φt)。用户终端位置可由笛卡尔坐标系表示为(X,Y)。系统配置的示意图如图2所示。
为了设计广覆盖预编码，考虑简单的下行直达径场景。令d(θt,φt)表示用户终端与基站天线阵列几何中心的距离，即该距离可视为信号发射方向(θt,φt)的方程。令
直达径场景下路径损耗系数为2。因此对数路径损耗模型可表示为
其中r＝2，d0为参考距离。当传输距离为d0|e(θt,φt)|时，路径损耗为PL0。因此信道矢量可建模为
其中
二、同步性能指标
令L表示一路数据流中的复基带信号样本数量，令St表示发射数据流数。接收信号
yT＝hTWX+zT， (6)
其中
将基站每次发射同步信号的时间过程称作同步时隙。在延迟τ处的发射与接收复信号样本可写作
其中假设
令T′glrt(τ)表示最大似然比的检测统计量。若T′glrt(τ)大于阈值γ′，则认为同步成功。最大似然比的检测统计量由下式定义
其中
其中
其中
三、预编码的设计准则与约束条件
如前文所述，是等效信道矢量，则(11)式漏检概率可重新构建为
其中
其中c为常数。此时，
漏检概率关于接收功率的单调性由以下关系给出。对视距信道场景而言，(11)式漏检概率关于
严格单调减小，其中
是产生的辐射功率图样。
根据图2，基站天线阵列与某个用户终端的距离，即线段CP′长度可表示为
其中h是基站天线与用户终端的高度差。为了清楚展示几何关系，图2的侧视图如图3所示。
如图2和图3所示，投影平面OP′与球面相切于点O。将点O处的俯仰角与方位角表示为(θ0,φ0)，其中φ0＝0。令(θt,φt)表示球面上点P的角度，平面OP′内点P′的位置可表示为
以及
其中并且α为机械下倾角。
为了确保用户同步性能在整个小区内的覆盖，我们考虑在所有可能角度(θt,φt)上具有相等的漏检概率。连续的俯仰角θt与方位角φt可离散为θp与φq，其中p＝0,1,...,P-1以及q＝0,1,...,Q-1表示样点的序数。使用
令b(θp,φq)表示在角度(θp,φq)上的所需辐射功率图样。将所需辐射功率图样b(θp,φq)在PQ个离散角度上的全体定义为矩阵B。因为产生的辐射功率图样a(θp,φq)应当正比于d2(θp,φq)，所需功率图样的样点由下式给出
其中
可使用相关矩阵距离来描述所需辐射功率图样B与产生的辐射功率图样A之间的距离。产生的辐射功率图样A由下式给出
其中
因此，在小区覆盖的设计中需满足相等漏检概率准则
运算符tr(·)表示矩阵的迹，||·||F表示矩阵的Frobenius范数。
每个天线的发射功率通常受到各自功放容量限制。在大规模MIMO系统中，这些功放的容量通常相同。若基站端仅有一个功放被充分使用，基站的功率效率将会很低。因此，希望在每根天线上有相等的最大发射功率来充分利用基站端功放的容量。
为确保在每个天线单元上有相等的平均功率消耗，预编码W的每行应当具有相等的2范数。考虑到发射功率约束条件预编码矩阵W应满足如下约束条件
四、预编码实现算法
根据(19)式，由W产生的辐射功率图样应当确保小区内的广覆盖。根据准则(22)定义目标函数J(W)为
根据(23)式，预编码矩阵W应该满足全部天线上的发送信号都有相等的平均功率。注意到相等功率约束条件相当于复oblique流形
因此，可通过求解如下优化问题得到预编码矩阵W
在流形优化的框架内便于求解优化问题(26)。流形上的优化方法可视作欧几里得空间内优化方法的推广。
令W(k)表示第k次循环求得的预编码。用于求解代价函数J(W)最小值的更新方程可表示为
其中D(k)是搜索方向，μ(k)是搜索步长。运算符
其中
搜索步长μ(k)通常选为满足Wolfe条件。该条件由以下给出
以及
其中0＜c1＜c2＜1，符号<>表示求取两个矩阵的内积，符号表示取实部，表示流形上的梯度。对共轭梯度法而言，典型值可取c1＝10-4以及c2＝0.1。对具有复矩阵变量W的实数值函数J(W)而言，Wolfe条件应等价于
以及
步长可由Armijo线性搜索选择，以便满足Wolfe条件。
若搜索方向D(k)由负黎曼梯度给出，即
其中
其中
虽然最速下降法能够全局收敛，但其收敛速度可能非常慢。共轭梯度法相比于最速下降法，其收敛速度要快很多。共轭梯度法的搜索方向可表示为
其中β(k)可由变种Hestenes-Stiefel规则定义，即
在(36)中，
以及
基于共轭梯度法的预编码设计过程的细节由以下步骤展示：
S1：设置搜索方向，若k＝0,则
若k＞0,则
S2：根据Armijo线性搜索设置步长μ(k),直到其满足Wolfe条件；
S3：利用搜索方向和步长构建更新方程，更新预编码矩阵
S4：将当前预编码矩阵W(k+1)与上一轮预编码矩阵W(k)进行比较：如果差别小于阈值，则判定预编码矩阵收敛于Wopt；否则，则判定预编码矩阵未收敛，返回步骤S1。
五、实施效果
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面给出视距信道场景下的本实施例中3D大规模MIMO广覆盖预编码传输方法和已有方法的结果比较。
首先，介绍广覆盖预编码的一个设计实例。考虑配备有均匀矩形阵列的3D大规模MIMO系统，水平方向布置32列天线，垂直方向布置64行天线。其中天线阵元的垂直与水平间距都设置为半个波长。假设用户分布在120度的扇区内，扇区半径为R＝200米。基站与用户终端高度分别设定为25米和1.5米。在这种情况下，基站与用户终端的高度差为h＝23.5米。机械下倾角设置为
将辐射功率图样分布沿俯仰角θ和方位角φ从-90°至90°绘制。辐射功率图样应当正比于e(θ,φ)2，其中e(θ,φ)是天线阵元图样。在本设计实例中，天线阵元图样选自用QuaDRiGa v2.0.0实现的3GPP-3D信道模型。阵元图样由图4所示。
本发明提出的预编码
观察图5的(a)中辐射功率图样可知，其形状为120度扇区在球面上的投影。另外θ＝0°附近的功率要远高于θ＝-40°附近的功率。这是因为在θ＝0°附近基站与用户终端的距离要远大于θ＝-40°附近对应的情况。在图5的(b)-(d)中，功率图样俯仰角方向半功率波束宽度对应角度为(b)θδ＝12°,(c)θδ＝24°以及(d)θδ＝36°。图5的(b)-(d)中的方位角方向半功率波束宽度对应角度都设置为120°。并且随着方位角方向半功率波束宽度的增加，功率图样的最大值会对应减少。
接下来展示所考虑的120°扇区内与扇区周边的接收功率情况。如公式(5)所述，信道矢量可由复数增益ε描述。假设在扇区中的点S(X(0,0),Y(0,0))处，设定ε*ε＝1。点S对应均匀面阵的准星方向。因机械下倾角设置为
绘制半径为R＝200米的120°扇区内与扇区周边的接收功率情况。扇区内由本发明提出的预编码
观察图6中(a)可知，本发明提出的预编码Wopt缓解了路径损耗导致的接收功率衰减。在这种情况下，由所提出预编码产生的接收功率在120°扇区内几乎相同。因此扇区内用户间的公平性得到确保。与此同时，相比于基于不同半功率波束宽度设计的预编码，本发明所提出的预编码具有显著更小的小区间干扰。
最后，评估由漏检概率表征的同步性能。将信噪比定义为SNR＝1/ν。阈值γ由以下闭式表达式决定，即
其中
由图7可知，所提出方案的漏检概率要低于基于不同半功率波束宽度设计方案的漏检概率。因此在该场景下，本发明所提出方案的同步性能要优于传统广覆盖预编码方案。
为了展示在非视距信道场景下的同步性能，选择QuaDRiGa v2.0.0产生仿真环境。信道生成场景选择为“3GPP 3D UMa NLOS”。考虑用户分布于120度扇区中。其他参数设置与前文相同。因多径引起的损耗，非视距信道场景中路径损耗系数大于2，即r>2。将非视距信道场景下，信噪比从0dB到30dB的漏检概率绘制于图8。
由图8可知，令设计准则中r>2，本发明所提出方案的漏检概率仍可低于基于不同半功率波束宽度设计方案的漏检概率。因此，本发明所提出方案的同步性能在该场景下仍然优于传统广覆盖预编码方案。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法，在没有超过本申请的精神和范围内，可以通过其他的方式实现。当前的实施例只是一种示范性的例子，不应该作为限制，所给出的具体内容不应该限制本申请的目的。例如，一些特征可以忽略，或不执行。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：波束赋形训练的方法和装置