CN101355410B - 一种基于随机波束成形的数据传输方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于随机波束成形的数据传输方法，包括以下步骤：基站端生成各元素的幅度恒定、相位随机变化的波束成形酉矩阵；基站端利用所述酉矩阵向用户设备发送多个不同的训练符号；用户设备向基站反馈接收到的多个与发射波束对应的SINR中的最大值及相应的发射波束编号；所述基站为不同发射波束选择该波束内的最大SINR所对应的用户设备进行数据传输。本发明适用于任意的发射天线数目；本发明既保证波束成形矩阵的所有元素的幅度相同，这会显著降低对功率放大器动态范围的要求，而且，仅仅用一组移相器就可以实现随机波束成形技术，又能够获得与传统的随机波束成形系统完全相同的吞吐量。

Description

一种基于随机波束成形的数据传输方法和系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种基于随机波束成形的数据传输方法和系统。

背景技术

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)通信系统通过采用多根发射和接收天线而具有较高的空间复用增益和分集增益，并能够在多用户系统中通过多用户调度技术获得显著的多用户分集增益，因此它必将成为下一代无线通信系统的关键技术。在MIMO系统中，可以利用波束成形技术通过对不同发射天线上的信号进行加权而获得一定的波束成形增益。但是，常规的波束成形技术需要较高的计算复杂度和反馈复杂度。

目前，一种采用OBS(Opportunistic Beamforming System，随机波束成形系统)的无线通信技术，具有波束成形技术简单、反馈复杂度低、并能获得与在发射机具有完全信道状态信息并利用脏纸编码技术时相同增长速度的系统吞吐量等优点，因此受到广泛重视。但是，该技术采用常规的酉矩阵作为波束成形矩阵，因此它的每一个元素的幅度和相位分别在[0，1)和[0，2π)内随机变化(如图1所示)，而实际通信系统中功率放大器的线性动态范围是非常有限的，所以幅度的随机变化会严重降低功率放大器的效率。

为了解决上述问题，现在出现一种采用OCS(OpportunisticCophasing System，随机波束同相成形系统)的无线通信技术，该技术考虑到在完全相关的衰落信道下，由于所有发射天线到接收天线的信道增益完全相同，因此提出只随机改变波束成形矢量的相位，而没有必要随机改变其幅度的思想。该技术是一种多波束同时发射的随机波束成形技术，可以适用于多用户系统。但是，目前该技术仅仅适用于发射天线数目不超过3的MIMO系统。

发明内容

本发明实施例要解决的问题是提供一种基于随机波束成形的数据传输方法和系统，以克服现有OCS技术仅仅适用于发射天线数目不超过3的MIMO系统的缺陷。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供一种数据传输的方法，包括以下步骤：基站端生成各元素的幅度恒定、相位随机变化的波束成形酉矩阵C；基站端利用所述酉矩阵C向用户设备发送多个不同的训练符号；用户设备向基站反馈接收到的多个与发射波束对应的SINR(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio，信号干扰噪声比)中的最大值及相应的发射波束编号；所述基站为不同发射波束选择该波束内的最大SINR所对应的用户设备进行数据传输。

其中，在所述基站端生成各元素的幅度恒定、相位随机变化的波束成形酉矩阵C的步骤中，具体包括：

在训练周期的起始时刻t，基站端随机产生M个在[0，2π)范围内均匀分布的相位θ_t＝[θ₁ θ₂…θ_M]；

基站端产生一个M×M维的Fourier矩阵

$F=\frac{1}{\sqrt{M}}\left[\begin{array}{cccccc}1& 1& .& .& .& 1\\ 1& w& .& .& .& w^{M-1}\\ .& .& .& & & .\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & & .& .\\ 1& w^{M-1}& .& .& .& w^{(M-1)(M-1)}\end{array}\right]$

其中w＝e^-j2π/M；

将相位矢量θ_t的列元素对应地加在矩阵F的每一列的所有元素的相位上面，得到随机波束成形矩阵：

$C=\frac{1}{\sqrt{M}}\left[\begin{array}{cccccc}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_1}& e^{j{\mathrm{\θ}}_2}& .& .& .& e^{j{\mathrm{\θ}}_M}\\ e^{j{\mathrm{\θ}}_1}& e^{j(-2\mathrm{\π}/M+{\mathrm{\θ}}_2)}& .& .& .& e^{j(-2\mathrm{\π}(M-1)/M+{\mathrm{\θ}}_M)}\\ .& .& .& & & .\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & & .& .\\ e^{j{\mathrm{\θ}}_1}& e^{j(-2\mathrm{\π}(M-1)/M+{\mathrm{\θ}}_2)}& .& .& .& e^{j(-2\mathrm{\π}(M-1)(M-1)/M+{\mathrm{\θ}}_M)}\end{array}\right]$

其中，在所述基站端生成各元素的幅度恒定、相位随机变化的波束成形酉矩阵C的步骤中，也可以采用下列方法，具体包括：

在训练周期的起始时刻t，产生一个初始矢量c_t∈C^1×M，

$c_t=\left[\begin{array}{cccc}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_1}& e^{{\mathrm{j\θ}}_2}& \·\·\·& e^{{\mathrm{j\θ}}_M}\end{array}\right]$

其中，θ_m，m＝1，…，M是相互独立且在[0，2π)内均匀分布的随机相位；

产生一个Fourier矩阵F∈C^M×M，

$F=\frac{1}{\sqrt{M}}\left[\begin{array}{cccccc}1& 1& .& .& .& 1\\ 1& w& .& .& .& w^{M-1}\\ .& .& .& & & .\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & & .& .\\ 1& w^{M-1}& .& .& .& w^{(M-1)(M-1)}\end{array}\right]$

其中，w＝e^-j2π/M；

构造随机波束成形矩阵C

$C=\left[\begin{array}{cccc}{c}_1& c_2& \·\·\·& c_M\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{cccc}{c}_t\left(1\right)F(:,1)& c_t\left(2\right)F(:,2)& \·\·\·& c_t\left(M\right)F(:,M)\end{array}\right]$

$=\frac{1}{\sqrt{M}}\left[\begin{array}{cccccc}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_1}& e^{j{\mathrm{\θ}}_2}& .& .& .& e^{j{\mathrm{\θ}}_M}\\ e^{j{\mathrm{\θ}}_1}& e^{j(-2\mathrm{\π}/M+{\mathrm{\θ}}_2)}& .& .& .& e^{j(-2\mathrm{\π}(M-1)/M+{\mathrm{\θ}}_M)}\\ .& .& .& & & .\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & & .& .\\ e^{j{\mathrm{\θ}}_1}& e^{j(-2\mathrm{\π}(M-1)/M+{\mathrm{\θ}}_2)}& .& .& .& e^{j(-2\mathrm{\π}(M-1)(M-1)/M+{\mathrm{\θ}}_M)}\end{array}\right]$

其中，c_m＝c_t(m)F(：，m)∈C^M×1，m＝1，…，M是对应第m个发射波束的随机波束成形矢量。

其中，在所述用户设备向基站反馈接收到的多个与发射波束对应的SINR中的最大值及相应的发射波束编号的步骤中，

所述波束编号

由公式

${\hat{m}}_k=\arg \underset{m=1,\·\·\·,M}{\max }\left|h_k{c}_m\right|,$ k＝1，…，K

确定，其中h_k＝[h₁₁ h₁₂…h_1M]∈C^1×M是基站到用户设备k之间的复信道矢量；

所述SINR中的最大值

由公式

${\widehat{\mathrm{\γ}}}_k=\arg \underset{m=1,\·\·\·,M}{\max }{\mathrm{\γ}}_{m,k}$

确定，其中γ_m，k是用户设备k对应第m个发射波束的SINR。

其中，所述用户设备k对应第m个发射波束的SINR γ_m，k由公式

${\mathrm{\γ}}_{m,k}=\frac{\frac{\mathrm{\ρ}}{M}{\left|h_k{c}_m\right|}^2}{1+\frac{\mathrm{\ρ}}{M}\underset{l=1,l\≠m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_k{c}_l\right|}^2},$ m＝1，…，M，k＝1，…，K

确定，其中ρ为用户平均接收SNR(Signal to Noise Ratio，信噪比)。

其中，在所述基站为不同发射波束选择该波束内的最大SINR所对应的用户设备进行数据传输的步骤中，具体包括：

设置与M个发射波束对应的数据集合S_m，m＝1，…，M存储所有用户设备的反馈信息；

选择用户设备，对于用户设备k的反馈信息

当 ${\hat{m}}_k=m$ 时， ${\widehat{\mathrm{\γ}}}_k\∈S_m,$ 所述选择的用户设备由公式

${\hat{k}}_m=\arg \underset{{\widehat{\mathrm{\γ}}}_k\∈S_n}{\max }{\widehat{\mathrm{\γ}}}_k,$ m＝1，…，M

确定；

利用发射波束m向所述选择的用户设备进行数据传输。

本发明实施例的技术方案还提供了一种数据传输的系统，包括：基站端，用于生成各元素的幅度恒定、相位随机变化的波束成形酉矩阵C，并利用所述酉矩阵C向用户设备发送多个不同的训练符号；用户设备，向基站反馈接收到的多个与发射波束对应的SINR中的最大值及相应的发射波束编号；基站，为不同发射波束选择该波束内的最大SINR所对应的用户设备进行数据传输。

其中，所述基站端包括：相位生成单元，用于随机生成多个在[0，2π)范围内均匀分布的相位；Fourier矩阵生成单元，用于生成一个M×M维的Fourier矩阵；随机波束成形矩阵生成单元，用于根据所述相位生成单元生成的相位和所述Fourier矩阵生成单元生成的Fourier矩阵，获取随机波束成形矩阵。

其中，所述用户设备包括：SINR中的最大值获取单元，用于获取接收到的多个与发射波束对应的SINR中的最大值；波束编号获取单元，用于获取与所述SINR中的最大值获取单元获取的最大值相应的发射波束编号。

与现有OCS技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：

本发明适用于任意的发射天线数目；本发明既保证波束成形矩阵的所有元素的幅度相同，这会显著降低对功率放大器动态范围的要求，而且，仅仅用一组移相器就可以实现随机波束成形技术，又能够获得与传统的随机波束成形系统完全相同的系统吞吐量。

附图说明

图1是现有技术的一种随机波束成形系统的结构框图；

图2是本发明实施例的一种数据传输的方法的流程图；

图3是本发明的多波束随机波束成形系统的结构框图；

图4是本发明采用移相器实现多波束随机波束成形系统的结构框图；

图5是本发明采用的帧结构示意图；

图6是本发明与传统随机波束成形系统的吞吐量的仿真结果及理论吞吐量计算公式的数值结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例的一种基于随机波束成形的数据传输方法的流程如图2所示，包括下列步骤：

步骤s201，基站端生成各元素的幅度恒定、相位随机变化的波束成形酉矩阵C。具体过程为：

在训练周期的起始时刻t，基站端随机产生M个在[0，2π)范围内均匀分布的相位θ_t＝[θ₁ θ₂…θ_M]；

基站端产生一个M×M维的Fourier矩阵

$F=\frac{1}{\sqrt{M}}\left[\begin{array}{cccccc}1& 1& .& .& .& 1\\ 1& w& .& .& .& w^{M-1}\\ .& .& .& & & .\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & & .& .\\ 1& w^{M-1}& .& .& .& w^{(M-1)(M-1)}\end{array}\right]$

其中w＝e^-j2π/M；

将相位矢量θ_t的列元素对应地加在矩阵F的每一列的所有元素的相位上面，得到随机波束成形矩阵

$C=\frac{1}{\sqrt{M}}\left[\begin{array}{cccccc}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_1}& e^{j{\mathrm{\θ}}_2}& .& .& .& e^{j{\mathrm{\θ}}_M}\\ e^{j{\mathrm{\θ}}_1}& e^{j(-2\mathrm{\π}/M+{\mathrm{\θ}}_2)}& .& .& .& e^{j(-2\mathrm{\π}(M-1)/M+{\mathrm{\θ}}_M)}\\ .& .& .& & & .\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & & .& .\\ e^{j{\mathrm{\θ}}_1}& e^{j(-2\mathrm{\π}(M-1)/M+{\mathrm{\θ}}_2)}& .& .& .& e^{j(-2\mathrm{\π}(M-1)(M-1)/M+{\mathrm{\θ}}_M)}\end{array}\right]$

在本实施例中，还可以采用如下方式生成酉矩阵C：

在训练周期的起始时刻t，产生一个初始矢量c_t∈C^1×M，

$c_t=\left[\begin{array}{cccc}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_1}& e^{{\mathrm{j\θ}}_2}& \·\·\·& e^{{\mathrm{j\θ}}_M}\end{array}\right]$

其中，θ_m，m＝1，…，M是相互独立且在[0，2π)内均匀分布的随机相位；

产生一个Fourier矩阵F∈C^M×M，

$F=\frac{1}{\sqrt{M}}\left[\begin{array}{cccccc}1& 1& .& .& .& 1\\ 1& w& .& .& .& w^{M-1}\\ .& .& .& & & .\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & & .& .\\ 1& w^{M-1}& .& .& .& w^{(M-1)(M-1)}\end{array}\right]$

其中，w＝e^-j2π/M；

构造随机波束成形矩阵C：

$C=\left[\begin{array}{cccc}{c}_1& c_2& \·\·\·& c_M\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{cccc}{c}_t\left(1\right)F(:,1)& c_t\left(2\right)F(:,2)& \·\·\·& c_t\left(M\right)F(:,M)\end{array}\right]$

$=\frac{1}{\sqrt{M}}\left[\begin{array}{cccccc}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_1}& e^{j{\mathrm{\θ}}_2}& .& .& .& e^{j{\mathrm{\θ}}_M}\\ e^{j{\mathrm{\θ}}_1}& e^{j(-2\mathrm{\π}/M+{\mathrm{\θ}}_2)}& .& .& .& e^{j(-2\mathrm{\π}(M-1)/M+{\mathrm{\θ}}_M)}\\ .& .& .& & & .\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & & .& .\\ e^{j{\mathrm{\θ}}_1}& e^{j(-2\mathrm{\π}(M-1)/M+{\mathrm{\θ}}_2)}& .& .& .& e^{j(-2\mathrm{\π}(M-1)(M-1)/M+{\mathrm{\θ}}_M)}\end{array}\right]$

其中，c_m＝c_t(m)F(：，m)∈C^M×1，m＝1，…，M是对应第m个发射波束的随机波束成形矢量。

步骤s202，基站端利用酉矩阵C向用户设备发送多个不同的训练符号。

步骤s203，用户设备向基站反馈接收到的多个与发射波束对应的SINR中的最大值及相应的发射波束编号。所述波束编号

由公式

${\hat{m}}_k=\arg \underset{m=1,\·\·\·,M}{\max }\left|h_k{c}_m\right|,$ k＝1，…，K

确定，其中h_k＝[h₁₁ h₁₂…h_1M]∈C^1×M是基站到用户设备k之间的复信道矢量；

所述SINR中的最大值

由公式

${\widehat{\mathrm{\γ}}}_k=\arg \underset{m=1,\·\·\·,M}{\max }{\mathrm{\γ}}_{m,k}$

确定，其中γ_m，k是用户设备k对应第m个发射波束的SINR。

所述用户设备k对应第m个发射波束的SINRγ_m，k由公式

${\mathrm{\γ}}_{m,k}=\frac{\frac{\mathrm{\ρ}}{M}{\left|h_k{c}_m\right|}^2}{1+\frac{\mathrm{\ρ}}{M}\underset{l=1,l\≠m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_k{c}_l\right|}^2},$ m＝1，…，M，k＝1，…，K

确定，其中ρ为用户设备平均接收SNR。

步骤s204，基站为不同发射波束选择该波束内的最大SINR所对应的用户设备进行数据传输。具体过程为：

设置与M个发射波束对应的数据集合S_m，m＝1，…，M存储所有用户设备的反馈信息；

选择用户设备，对于用户设备k的反馈信息

当 ${\hat{m}}_k=m$ 时， ${\widehat{\mathrm{\γ}}}_k\∈S_m,$ 所述选择的用户设备由公式

${\hat{k}}_m=\arg \underset{{\widehat{\mathrm{\γ}}}_k\∈S_n}{\max }{\widehat{\mathrm{\γ}}}_k,$ m＝1，…，M

确定；

发射波束m向所述选择的用户设备进行数据传输

当采用图3所示的多波束随机波束成形系统时，下面以一个具有K个用户，基站采用M根发射天线，每个用户只采用N＝1的单接收天线的系统为例，本发明的具体实施步骤如下：

1.在某个训练周期(一个数据帧被分为两个部分：训练周期和

数据传送周期，如图5所示)起始时刻t，产生一个初始矢量c_t∈C^1×M，

$c_t=\left[\begin{array}{cccc}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_1}& e^{{\mathrm{j\θ}}_2}& \·\·\·& e^{{\mathrm{j\θ}}_M}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，θ_m，m＝1，…，M是相互独立且在[0，2π)内均匀分布的随机相位；

2.产生一个Fourier矩阵F∈C^M×M，

$F=\frac{1}{\sqrt{M}}\left[\begin{array}{cccccc}1& 1& .& .& .& 1\\ 1& w& .& .& .& w^{M-1}\\ .& .& .& & & .\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & & .& .\\ 1& w^{M-1}& .& .& .& w^{(M-1)(M-1)}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，w＝e^-j2π/M；

3.随机波束成形矩阵C按照如下方法构造

$C=\left[\begin{array}{cccc}{c}_1& c_2& \·\·\·& c_M\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{cccc}{c}_t\left(1\right)F(:,1)& c_t\left(2\right)F(:,2)& \·\·\·& c_t\left(M\right)F(:,M)\end{array}\right]$

$=\frac{1}{\sqrt{M}}\left[\begin{array}{cccccc}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_1}& e^{j{\mathrm{\θ}}_2}& .& .& .& e^{j{\mathrm{\θ}}_M}\\ e^{j{\mathrm{\θ}}_1}& e^{j(-2\mathrm{\π}/M+{\mathrm{\θ}}_2)}& .& .& .& e^{j(-2\mathrm{\π}(M-1)/M+{\mathrm{\θ}}_M)}\\ .& .& .& & & .\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & & .& .\\ e^{j{\mathrm{\θ}}_1}& e^{j(-2\mathrm{\π}(M-1)/M+{\mathrm{\θ}}_2)}& .& .& .& e^{j(-2\mathrm{\π}(M-1)(M-1)/M+{\mathrm{\θ}}_M)}\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中，c_m＝c_t(m)F(：，m)∈C^M×1，m＝1，…，M是对应第m个发射波束的随机波束成形矢量。显而易见，矩阵C仍然是酉矩阵，但是它的每一个元素的幅度恒定为

这会显著降低对功率放大器动态范围的要求。而且，C的每一列所有元素的相位就是如图4所示的每一个发射波束中的移相器所需要的相位。

另外，前面三个步骤也可以在离线方式下产生。例如，先产生M个在[0，2π)内均匀分布的随机相位θ_t＝[θ₁ θ₂…θ_M]，然后产生Fourier矩阵F∈C^M×M，最后直接把θ_t的每一个元素对应加在F的每一列的所有元素的相位上；这可以通过移相器来实现。只要发射天线数M一定，那么F就是恒定的，因此每次训练的时候，只需要产生相位矢量θ_t就可以了。

4.在接收端，用户k对应的具有最大接收SINR的波束编号

为

${\hat{m}}_k=\arg \underset{m=1,\·\·\·,M}{\max }\left|h_k{c}_m\right|,$ k＝1，…，K    (4)

其中，h_k＝[h₁₁ h₁₂…h_1M]∈C^1×M是基站到用户k之间的复信道矢量。用户k对应第m个发射波束的SINR为

${\mathrm{\γ}}_{m,k}=\frac{\frac{\mathrm{\ρ}}{M}{\left|h_k{c}_m\right|}^2}{1+\frac{\mathrm{\ρ}}{M}\underset{l=1,l\≠m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_k{c}_l\right|}^2},$ m＝1，…，M，k＝1，…，K    (5)

那么，用户k在M个发射波束上所获得的最大SINR为

${\widehat{\mathrm{\γ}}}_k=\arg \underset{m=1,\·\·\·,M}{\max }{\mathrm{\γ}}_{m,k}---\left(6\right)$

所以，用户k的反馈信息为

5.在基站，设置与M个发射波束对应的数据集合S_m，m＝1，…，M来存储所有用户的反馈信息。例如，对于用户k的反馈信息

如果 ${\hat{m}}_k=m,$ 那么 ${\widehat{\mathrm{\γ}}}_k\∈S_m.$ 最后，在发射波束m，被调度的用户为

${\hat{k}}_m=\arg \underset{{\widehat{\mathrm{\γ}}}_k\∈S_m}{\max }{\widehat{\mathrm{\γ}}}_k,$ m＝1，…，M    (7)

6.基站针对每一个发射波束已经选定的用户，进行数据传输。

7.当接收天线数量为1的时候，系统的吞吐量R可以近似表达为

R≈Mlog₂(1+a+0.5772b)    (8)

其中，参数a为下列超越方程的解

$a+\frac{(M-1)\mathrm{\ρ}}{m_{0}M}\ln (a+1)=\frac{\mathrm{\ρ}}{m_{0}M}\ln K---\left(9\right)$

其中，参数m₀表示Nakagami-m衰落信道的衰落因子，ρ为系统内用户设备的平均接收SNR。尽管a也可以显性地近似表示为

$a=\frac{\mathrm{\ρ}}{m_{0}M}\ln K-\frac{(M-1)\mathrm{\ρ}}{m_{0}M}\ln (\frac{\mathrm{\ρ}}{m_{0}M}\ln K+1)+O\left(\ln \ln \ln K\right)---\left(10\right)$

但该近似表达式的收敛速度很慢，而导致根据公式(8)得到的数值结果与仿真结果之间存在较大误差。幸运的是，参数a的精确解可以很容易地用穷举法搜索方程(9)而得到。最后，参数b可以表示为

$b=\frac{\mathrm{\ρ}(a+1)}{m_{0}M(a+1)+\mathrm{\ρ}(M-1)}---\left(11\right)$

其中，本发明与传统随机波束成形系统的吞吐量的仿真结果及理论吞吐量计算公式的数值结果示意图如图6所示。

本发明实施例的一种数据传输的系统，包括基站端，用于生成各元素的幅度恒定、相位随机变化的波束成形酉矩阵C，并利用所述酉矩阵C向用户设备发送多个不同的训练符号；用户设备，用于向基站反馈接收到的多个与发射波束对应的SINR中的最大值及相应的发射波束编号；基站，用于为不同发射波束选择该波束内的最大SINR所对应的用户设备进行数据传输。

基站端包括相位生成单元，用于随机生成多个在[0，2π)范围内均匀分布的相位；Fourier矩阵生成单元，用于生成一个多维的Fourier矩阵；  随机波束成形矩阵生成单元，用于根据所述相位生成单元生成的相位和所述Fourier矩阵生成单元生成的Fourier矩阵，获取随机波束成形矩阵。

用户设备包括SINR中的最大值获取单元，用于获取接收到的多个与发射波束对应的SINR中的最大值；波束编号获取单元，用于获取与所述SINR中的最大值获取单元获取的最大值相应的发射波束编号。

本发明的主要特点在于多波束随机波束成形矩阵的所有元素的幅度恒定且相同，因此在射频端的功率放大器的放大系数固定，这就显著降低了对其动态范围的要求；甚至只需要一组相移器就可以实现发射波束成形；而且，与常规的随机波束成形系统相比，可以获得完全相同的系统吞吐量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于随机波束成形的数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

基站端生成各元素的幅度恒定、相位随机变化的波束成形酉矩阵C；

基站端利用所述酉矩阵C向用户设备发送多个不同的训练符号；

用户设备向基站反馈接收到的多个与发射波束对应的信号干扰噪声比SINR中的最大值及相应的发射波束编号；

所述基站为不同发射波束选择该波束内的最大SINR所对应的用户设备进行数据传输，

其中，所述基站端生成各元素的幅度恒定、相位随机变化的波束成形酉矩阵C的具体过程包括：

在训练周期的起始时刻t，所述基站端随机产生M个在[0，2π)范围内均匀分布的相位θ_t＝[θ₁ θ₂…θ_M]，其中M为发射天线数；

基站端产生一个M×M维的Fourier矩阵

其中w＝e^-j2π/M；

将相位矢量θ_t的列元素对应地加在矩阵F的每一列的所有元素的相位上面，得到随机波束成形矩阵

或具体包括：

在训练周期的起始时刻t，产生一个初始矢量c_t∈C^1×M，

$c_t=\left[\begin{array}{cccc}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_1}& e^{{\mathrm{j\θ}}_2}& \·\·\·& e^{{\mathrm{j\θ}}_M}\end{array}\right]$

其中，θ_m，m＝1，…，M是相互独立且在[0，2π)内均匀分布的随机相位；

产生一个Fourier矩阵F∈C^M×M，

其中，w＝e^-j2π/M；

构造随机波束成形矩阵C：

其中，c_m＝c_t(m)F(：，m)∈C^M×1，m＝1，…，M是对应第m个发射波束的随机波束成形矢量。

2.如权利要求1所述基于随机波束成形的数据传输方法，其特征在于，在所述用户设备向基站反馈接收到的多个与发射波束对应的SINR中的最大值及相应的发射波束编号的步骤中，

所述波束编号由公式

${\hat{m}}_k=\arg \underset{m=1,\·\·\·,M}{\max }\left|h_k{c}_m\right|,k=1,\·\·\·,K$

确定，其中h_k＝[h₁₁ h₁₂…h_1M]∈C^1×M是基站到用户设备k之间的复信道矢量；

所述SINR中的最大值

由公式

${\widehat{\mathrm{\γ}}}_k=\arg \underset{m=1,\·\·\·,M}{\max }{\mathrm{\γ}}_{m,k}$

确定，其中γ_m，k是用户设备k对应第m个发射波束的SINR。

3.如权利要求2所述基于随机波束成形的数据传输方法，其特征在于，所述用户设备k对应第m个发射波束的SINRγ_m，k由公式

${\mathrm{\γ}}_{m,k}=\frac{\frac{\mathrm{\ρ}}{M}{\left|h_k{c}_m\right|}^2}{1+\frac{\mathrm{\ρ}}{M}\underset{l=1,l\≠m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_k{c}_l\right|}^2},m=1,\·\·\·,M,k=1,\·\·\·,K$

确定，其中ρ为用户平均接收信噪比SNR。

4.如权利要求3所述基于随机波束成形的数据传输方法，其特征在于，在所述基站为不同发射波束选择该波束内的最大SINR所对应的用户设备进行数据传输的步骤中，具体包括：

设置与M个发射波束对应的数据集合S_m，m＝1，…，M存储所有用户设备的反馈信息；

选择用户设备，对于用户设备k的反馈信息

当

时，所述选择的用户设备由公式

${\hat{k}}_m=\arg \underset{{\widehat{\mathrm{\γ}}}_k\∈S_m}{\max }{\widehat{\mathrm{\γ}}}_k,m=1,\·\·\·,M$

确定；

发射波束m向所述选择的用户设备进行数据传输。

5.一种基于随机波束成形的数据传输系统，其特征在于，包括：

基站端，用于生成各元素的幅度恒定、相位随机变化的波束成形酉矩阵C，并利用所述酉矩阵C向用户设备发送多个不同的训练符号；

用户设备，用于向基站反馈接收到的多个与发射波束对应的SINR中的最大值及相应的发射波束编号；

基站，用于为不同发射波束选择该波束内的最大SINR所对应的用户设备进行数据传输，

其中，所述基站端生成各元素的幅度恒定、相位随机变化的波束成形酉矩阵C的具体过程包括：

在训练周期的起始时刻t，所述基站端随机产生M个在[0，2π)范围内均匀分布的相位θ_t＝[θ₁ θ₂…θ_M]，其中M为发射天线数；

所述基站端产生一个M×M维的Fourier矩阵

其中w＝e^-j2π/M；

将相位矢量θ_t的列元素对应地加在矩阵F的每一列的所有元素的相位上面，得到随机波束成形矩阵

或具体包括：

在训练周期的起始时刻t，产生一个初始矢量c_t∈C^1×M，

$c_t=\left[\begin{array}{cccc}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_1}& e^{{\mathrm{j\θ}}_2}& \·\·\·& e^{{\mathrm{j\θ}}_M}\end{array}\right]$

其中，θ_m，m＝1，…，M是相互独立且在[0，2π)内均匀分布的随机相位；

产生一个Fourier矩阵F∈C^M×M，

其中，w＝e^-j2π/M；

构造随机波束成形矩阵C：

其中，c_m＝c_t(m)F(：，m)∈C^M×1，m＝1，…，M是对应第m个发射波束的随机波束成形矢量。

6.如权利要求5所述基于随机波束成形的数据传输系统，其特征在于，所述基站端包括：

相位生成单元，用于随机生成多个在[0，2π)范围内均匀分布的相位；

Fourier矩阵生成单元，用于生成一个M×M维的Fourier矩阵；

随机波束成形矩阵生成单元，用于根据所述相位生成单元生成的相位和所述Fourier矩阵生成单元生成的Fourier矩阵，获取随机波束成形矩阵。

7.如权利要求6所述基于随机波束成形的数据传输系统，其特征在于，所述用户设备包括：

SINR中的最大值获取单元，用于获取接收到的多个与发射波束对应的SINR中的最大值；

波束编号获取单元，用于获取与所述SINR中的最大值获取单元获取的最大值相对应的发射波束编号。

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