CN113992252B

CN113992252B - 大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法

Info

Publication number: CN113992252B
Application number: CN202111234111.5A
Authority: CN
Inventors: 赵中原; 纪晓东; 贾超; 宋朋高
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-10-22
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2024-04-30
Anticipated expiration: 2041-10-22
Also published as: CN113992252A

Abstract

本发明的提出一种大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法，包括：步骤1，基站对波束进行扫描，用户依次测量成形波束信道特性，从中选出候选波束反馈给基站；步骤2，基站收集用户反馈的候选波束信息，建立基站候选波束集及每个候选波束的干扰波束表；步骤3，基站根据用户反馈的候选波束信息向用户发送参考信号，用户利用参考信号进行信道测量，并将测量结果反馈给基站；步骤4，基站根据波束间的干扰关系表、用户反馈的信道测量信息、用户的候选波束为每个天线面板分配波束。所述方法能够通过减少波束间干扰改善信道质量，从而提升系统整体性能；既能反映两波束间干扰强度的近似情况，又可以简化波束间干扰强度的计算。

Description

大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法。

背景技术

5G普及以来，大规模MIMO技术已经在5G中得到广泛应用，大规模MIMO中采用了大量的天线阵列，使得基站和用户有条件通过天线权值向量调整将发送接收信号由之前的全向辐射改为定向的波束，从而在固定的方向上极大程度提高增益，这就是波束赋形技术，不过，由于波束赋形的波束范围较窄，从而导致其对方向较为敏感，因此就需要一种技术能够快速且稳定地将波束对准到用户。

波束管理技术，便是专门为了解决这一问题而提出的新兴技术，波束管理在3GPPR15标准中首次提出，并在38.912协议中进行了定义，波束管理通过波束扫描、波束测量、波束报告和波束确定等技术手段，使基站能够快速选择信道质量最好的波束与用户建立连接，从而保证通信质量。

PF算法是一种能够在系统整体性能和用户公平性之间保持良好折中的资源调度算法，该算法的核心思想，是将用户需求的瞬时速率，除以一段时间内的平均速率，信道质量越好，瞬时速率就越大，使该用户PF因子增大，能够保证系统性能尽可能高；一段时间内调度次数越少，平均速率越小，也能使PF因子增大，从而保证信道质量差的用户得到有效服务，PF算法通过保证用户公平性的同时尽可能提高系统平均吞吐量，实现尽可能优化的资源利用效率，因此，在波束选择中采用PF算法作为基站选择发送波束的算法能够获取良好的性能及用户体验。

在实际5G小区中，每个基站同时有多个发送波束，如果两波束方向相近，相互之间可能产生严重的波束间干扰，从而影响信道质量。基于现有技术存在的如上述问题，本发明提供一种大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提出了一种大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法。

本发明采用以下技术方案：

一种大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法，包括：

步骤1，基站对波束进行扫描，用户依次测量成形波束信道特性，从中选出候选波束反馈给基站；

步骤2，基站收集用户反馈的候选波束信息，建立基站候选波束集及每个候选波束的干扰波束表；

步骤3，基站根据用户反馈的候选波束信息向用户发送参考信号，用户利用参考信号进行信道测量，并将测量结果反馈给基站；

步骤4，基站根据波束间的干扰关系表、用户反馈的信道测量信息、用户的候选波束为每个天线面板分配波束。

进一步地，步骤1中包括：

步骤1.1，基站依次遍历所有波束并向用户发送波束管理信号，用户接收波束成形信号后进行波束测量，选出质量最好的波束对，基站轮流发送所有配置波束，对于第i个发射波束，用户U_m基于最大RSRP准则选择一个接收波束/>，组成服务波束对如下式(1)：

其中，是用户U_m所有接收波束组成的集合，/>作为服务波束对时U_m的接收波束；

基站与用户U_m所有服务波束对组成服务波束对集合为下式(2)：

其中，λ_T是发射波束的数量；

步骤1.2，用户选出质量最好的K个波束对作为候选波束对，并反馈给基站；

用户U_m的候选波束集合为下式(3)：

其中，对于有/>

用户选出候选波束对后向基站报告波束信息，并向基站发送上行探测信号。

进一步地，步骤2包括：

步骤2.1，基站构造候选波束表；

步骤2.2，基站对波束间干扰关系表进行初始化；

步骤2.3，基站根据用户候选波束选择情况，计算波束B_i与其他各个波束之间的干扰强度；

步骤2.4，基站根据所得的干扰强度，构建波束B_i与其他各波束间干扰关系，并添加到干扰关系表中，完成波束间干扰关系表的建立。

进一步地，步骤3包括：

步骤3.1，基站接收到用户反馈的波束信息后，在候选波束方向上向用户发送基于混合波束赋形的成形CSI-RS信号；

步骤3.2，用户接收CSI-RS信号、进行CSI测量，并向基站发送CQI和RI反馈，反馈信息中包含参考信号对应的用户测量信号与干扰噪声比SINR的信息。

进一步地，步骤4包括：

步骤4.1、基站根据用户反馈的信道信息，计算每个面板上所有波束的PF因子；

步骤4.2、基站依据干扰波束表，计算每个波束的优先级，选取优先级最高波束作为所在面板的发射波束；

步骤4.3、在候选面板和候选波束集合中删除已分配的面板和波束；

步骤4.4、为剩余未分配波束面板按照步骤4.1至4.3进行基于干扰规避算法的波束选择。

进一步地，步骤2.1中，基站遍历自身所服务的所有用户，获取每一个用户反馈的候选波束对信息S_m，每个用户有若干个候选波束，相对地，每个候选波束也对应若干个不同用户，对于基站的候选波束B_i，如果B_i位于某个用户U_m反馈的候选波束集合中，把该用户U_m加入波束B_i的用户集合中，波束B_i的用户集合表示为下式(4)：

依据式(4)，求得之后，将波束B_i与/>进行配对，得到波束与其对应用户集合的对应关系/>根据/>获得基站候选波束表，候选波束表中包含基站所有候选波束及每个候选波束对应的用户集合，候选波束表表示为下式(5)：

其中，L为基站的候选波束个数。

进一步地，步骤2.2中，基站对波束间干扰关系表进行初始化包括：将两个波束B_i和B_j的序号以及干扰强度I_ij作为波束间干扰关系表中第i行第j列的元素，表示为Cross_i，j＝(<B_i，B_i>，I_ij)，波束间干扰关系表表示为下式(6)：

I_ij为波束B_i与B_j之间干扰强度，L为候选波束个数；

基站将所有候选波束加入波束间干扰关系表中。

进一步地，步骤2.3中，首先遍历基站候选波束表中所有波束，对于每一个候选波束B_i，遍历候选波束表中除波束B_i外的每个波束，对其中波束B_j，令B_i的用户集合与B_j的用户集合/>求交集，将交集中用户的数量作为波束B_i和B_j之间的干扰强度I_ij，则两波束间干扰强度表示为下式(7)：

如上，设一共有L个候选波束，每两个波束之间需要计算干扰强度，则共需要计算L(L-1)/2个波束间干扰强度。

进一步地，步骤2.4中，基站遍历候选波束集中所有波束之间的干扰强度关系，并将每两个波束之间的干扰强度关系加入到波束间干扰关系表中，列出每个波束与其对应干扰波束集合的干扰波束表，以矩阵形式来表现波束间干扰关系表；

利用Iij替换波束间干扰关系表mCrossPf中的Crossi_，j＝(<Bi，B_j>，Iij)中的干扰强度；

得到波束间干扰关系表后，即从中获取基站的所有候选波束及每两个候选波束之间的干扰关系信息。

与现有技术相比，本发明的优越效果在于：

1、本发明所述的大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法，干扰规避波束选择方法能够通过减少波束间干扰改善信道质量，从而提升系统整体性能；

2、本发明所述的大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法，将基站中两个波束之间的候选用户选择情况的交叉作为波束间干扰程度的体现，既能反映两波束间干扰强度的近似情况，又可以简化波束间干扰强度的计算。

附图说明

图1为本发明实施例中大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中基站构建波束间干扰表的流程示意图；

图3为本发明实施例中干扰规避算法的流程示意图；

图4为本发明实施例中所述干扰规避算法、传统PF算法及随机选择三种波束选择方法中系统平均频谱效率图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例

如图1所示，所述大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法，包括：

步骤1，基站对波束进行扫描，用户依次测量成形波束信道特性，以RSRP作为信道质量参考标准，从中选出信道质量最好的最优波束及与其相差较小的次优波束作为候选波束反馈给基站；

步骤1.1，基站依次遍历所有波束并向用户发送波束管理信号，用户接收波束成形信号后进行波束测量，选出质量最好的波束对，基站轮流发送所有配置波束，对于第i个发射波束，用户U_m基于最大RSRP准则选择一个接收波束/>与其组成服务波束对：

其中，是用户U_m所有接收波束组成的集合，/>是/>作为服务波束对时U_m的接收波束；

基站与用户U_m所有服务波束对组成服务波束对集合为：

P_m＝{P_m，1，...，P_m，λ_T}…(2)，

其中，λ_T是发射波束的数量；

用户U_m的候选波束集合为：

其中，

用户选出候选波束对后向基站报告波束信息，并向基站发送上行探测信号；

一种可选的实施例中，基站遍历接入该基站的所有用户及每个用户下所有反馈的候选波束；整理所有用户反馈的波束，构造基站的候选波束表；基站建立表示波束间干扰强度关系的干扰关系表，根据用户反馈的候选波束情况及候选波束表，计算所有波束之间的干扰强度；基站根据所得到的干扰强度，构建每个波束与其他各波束间干扰关系，加入波束间干扰关系表中，完成干扰关系表的构建；

如图2所示，步骤2包括：

步骤2.1，基站构造候选波束表，基站遍历自身所服务的所有用户，获取每一个用户反馈的候选波束对信息S_m，每个用户有若干个候选波束，相对地，每个候选波束也对应若干个不同用户，对于基站的候选波束B_i，如果B_i位于某个用户U_m反馈的候选波束集合中，把该用户U_m加入波束B_i的用户集合中，波束B_i的用户集合表示为：

求得之后，将波束B_i与/>进行配对，得到/>

根据获得基站候选波束表，候选波束表中包含基站所有候选波束及每个候选波束对应的用户集合，候选波束表表示为：

其中，L为基站的候选波束个数；

步骤2.2，基站对波束间干扰关系表进行初始化，将两个波束B_i和B_j的序号以及干扰强度I_ij作为波束间干扰关系表中第i行第j列的元素，Cross_i，j＝(<B_i，B_i>，I_ij)，波束间干扰关系表表示为：

I_ij为波束B_i与B_j之间干扰强度，L为候选波束个数；

基站将所有候选波束加入波束间干扰关系表中，此时，整个波束间干扰关系表的所有元素，包括每个波束对的序号都已定义，剩下所有波束对对应的干扰强度还未进行赋值，在之后的步骤2.3中，计算出所有波束间干扰强度后，对波束间干扰关系表中的干扰强度元素进行更新；

步骤2.3，基站根据用户候选波束选择情况，计算波束B_i与其他各个波束之间的干扰强度，遍历基站候选波束表中所有波束，对于每一个候选波束B_i，遍历候选波束表中除波束B_i外的每个波束，对其中波束B_j，令B_i的用户集合与B_j的用户集合/>求交集，将交集中用户的数量作为波束B_i和B_j之间的干扰强度I_ij，则两波束间干扰强度：

假设一共有L个候选波束，每两个波束之间需要计算干扰强度，则共需要计算L(L-1)/2个波束间干扰强度；

步骤2.4，基站根据所得的干扰强度，构建波束B_i与其他各波束间干扰关系，并添加到干扰关系表中，完成波束间干扰关系表的建立，基站遍历候选波束集中所有波束之间的干扰强度关系，并将每两个波束之间的干扰强度关系加入到波束间干扰关系表中，整理出每个波束与其对应干扰波束集合的干扰波束表，以矩阵形式来表现波束间干扰关系表；

利用I_ij替换波束间干扰关系表mCrossPf中的Cross_i，j＝(<Bi，B_j>，I_ij)中的干扰强度I_ij；

在上述实施例中的步骤2.1中，整理候选波束表的流程为：遍历每一个用户的候选波束对信息Sm，对于其中的每一个波束B_i，如果波束B_i不在基站的候选波束表中，则将B_i加入基站的候选波束表，并将用户U_m加入波束B_i的用户集合中；如果波束B_i在基站的候选波束表中，直接把用户U_m加入波束B_i的用户集合/>

在上述实施例的步骤2.2中，基站建立波束间干扰关系表，其中包含所有候选波束及每一个波束与其他候选波束之间的干扰强度信息；

在上述实施例的步骤2.3中，基站的每个候选波束可能会服务若干个不同的用户，如果两个波束B_i和B_j都会服务同一个用户U_m，那么，当这两个波束同时被选中时，对于被服务的用户而言，两个波束之间就会相互产生干扰，若两个波束共同服务的用户越多，则可以认为这两个波束间干扰越严重，因此，可以将两个波束B_i和B_j共同服务的用户数量作为判断波束间干扰强度的一个标准；

基站遍历候选波束表中的所有波束及每个波束的用户集合，将所有波束的用户集合两两求交集，如果交集不为空，交集中的用户数作为两个波束之间的干扰强度I_ij；如果交集为空，则认为这两个波束之间不存在干扰。

一种可选的实施例中，基站会用每个天线面板在所有候选波束方向上形成CSI-RS参考信号，并向基站服务的每个用户发送这些参考信号，如果基站共有K个面板，L个候选波束，则需要发送K*L个参考信号；

步骤3包括：

一种可选的实施例中，基站会为每个天线面板分配一个发送波束，基站首先根据用户反馈的信道信息，计算每个面板上所有波束的优先级，并按照优先级从大到小进行排序，之后，基站根据波束间干扰关系表，挑选出与当前时隙已选择波束无干扰且优先级最高的波束作为所在面板的发射波束，并将该天线面板与波束从候选列表中删除，按照同样的方法为每个天线面板分配波束，直至所有天线面板完成波束选择；

如图3所示，步骤4包括：

对于每个候选波束，遍历所有子带，轮询波束i的服务用户集合，计算集合中每个用

户在该子带上的PF因子，对于子带k，用户U_j的PF因子为；

其中，u_i为候选波束i对应的用户集合，r(i，j，k)为候选波束i中用户U_j在子带k上的信道容量，其计算公式为r(i，j，k)＝B_klog(1+SINR(i，j，k))，SINR(i，j，k)为在选择波束i时用户U_j反馈给基站的子带k上的测量SINR，B_k为子带k的带宽，T(j)为用户U_j的累积速率；

选择PF因子最大的一个用户占用子带k，将占用子带k的用户记为F_k：

计算每个波束的PF因子：

其中，K为子带的总数；

将PF因子和干扰强度两个因素，按照权重w决定波束的优先级，按照避免波束间干扰的原则，波束间干扰强度越大，波束的优先级应该越低，波束的优先级表示为：

其中，C为已被选择的波束集合；

步骤4.4、为剩余未分配波束面板按照步骤4.1至4.3进行基于干扰规避算法的波束选择；

一个基站共有M_g*N_g个天线面板，其中M_g为水平方向天线面板个数，N_g为垂直方向天线面板个数，基站会为每个天线面板分配一个发射波束，在将已分配的面板和波束删除后，基站会判断是否所有面板已完成波束选择，如果将对应波束删除完之后，已经没有剩余候选波束，说明已经完成每个面板的波束选择，则开始进行下一步资源分配，如果还有剩余候选波束，说明还有面板未进行波束分配，则继续从步骤4.1开始重新计算每个波束优先级，为剩余的面板进行波束分配。

在除了第一次为面板分配波束的过程中，由于每个候选波束的PF因子不会发生变化，因此PF因子可以只在第一次进行步骤4.1时计算，随着循环的不断进行，越来越多的面板完成波束分配，已选择的波束会越来越多，所以已选择波束集合C会越来越大，待选择的波束与已选波束之间的干扰也会随之增大，所以波束的优先级需要在每次循环中重新计算。

在上述实施例中的步骤4.2中，还未有已被分配波束的面板和已被选择的波束，所以所有波束优先级中的干扰强度项可以忽略，随着越来越多的波束被选择，干扰强度项会随之增大，将所有波束的优先级进行排序，选取优先级最大的波束作为其所在面板的发射波束；在上述实施例中的步骤4.3中，步骤4.2已经为面板p_a分配了波束B_i，那么就需要在所有面板的所有候选波束中删除面板p_a的所有对应候选波束以及所有面板上对应的候选波束B_i，此外，将此次波束选择中被选中的波束B_i加入当前时隙的已选择波束集合C，在为剩余的面板分配波束时，计算剩余候选波束的优先级Priority(i)需要将候选波束与已选择波束集合C中所有波束的干扰强度都计算在内。

为了对所述大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法的优越效果进行验证，如图4所示，采用基于干扰规避的波束选择方法、基于传统PF算法的波束选择算法以及随机进行波束选择方法三种方法的性能进行仿真对比，其中，仿真在Uma场景下进行，波束配置为6*4(水平方向6波束，垂直方向4波束)，从仿真结果可以看出，基于干扰规避的波束选择方法在系统整体性能上比不采用干扰规避的波束选择方法有明显提升；从仿真结果说明，所述大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法在系统平均频谱效率上相较于传统方法有明显改善，这表明本发明提出的方法具有良好的优化效果。

本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。

Claims

1.一种大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法，其特征在于，包括：

步骤1.1，基站依次遍历所有波束并向用户发送波束管理信号，用户接收波束成形信号后进行波束测量，选出质量最好的波束对，基站轮流发送所有配置波束，对于第i个发射波束用户U_m基于最大RSRP准则选择一个接收波束/>组成服务波束对如下式(1)：

其中，λ_T是发射波束的数量；

用户U_m的候选波束集合为下式(3)：

其中，对于且/>有/>

步骤2.1，基站构造候选波束表；

步骤2.2，基站对波束间干扰关系表进行初始化，基站对波束间干扰关系表进行初始化包括：

将两个波束B_i和B_j的序号以及干扰强度I_ij作为波束间干扰关系表中第i行第j列的元素，表示为Cross_i,j＝(<B_i,B_i>,I_ij)，波束间干扰关系表表示为下式(4)：

I_ij为波束B_i与B_j之间干扰强度，L为候选波束个数；

基站将所有候选波束加入波束间干扰关系表中；

步骤2.4，基站根据所得的干扰强度，构建波束B_i与其他各波束间干扰关系，并添加到干扰关系表中，完成波束间干扰关系表的建立；

2.根据权利要求1所述的大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法，其特征在于，步骤3包括：

3.根据权利要求2所述的大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法，其特征在于，步骤4包括：

4.根据权利要求2-3中任一项所述的大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法，其特征在于，步骤2.1中，基站遍历自身所服务的所有用户，获取每一个用户反馈的候选波束对信息S_m，每个用户有若干个候选波束，相对地，每个候选波束也对应若干个不同用户，对于基站的候选波束B_i，如果B_i位于某个用户U_m反馈的候选波束集合中，把该用户U_m加入波束B_i的用户集合中，波束B_i的用户集合表示为下式(5)：

依据式(5)，求得之后，将波束B_i与/>进行配对，得到波束与其对应用户集合的对应关系/>根据/>获得基站候选波束表，候选波束表中包含基站所有候选波束及每个候选波束对应的用户集合，候选波束表表示为下式(6)：

其中，L为基站的候选波束个数。

5.根据权利要求2-3中任一项所述的大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法，其特征在于，步骤2.3中，首先遍历基站候选波束表中所有波束，对于每一个候选波束B_i，遍历候选波束表中除波束B_i外的每个波束，对其中波束B_j，令B_i的用户集合与B_j的用户集合/>求交集，将交集中用户的数量作为波束B_i和B_j之间的干扰强度I_ij，则两波束间干扰强度表示为下式(7)：

设共有L个候选波束，每两个波束之间需要计算干扰强度，则共需要计算L(L–1)/2个波束间干扰强度。

6.根据权利要求2-3中任一项所述的大规模多天线系统基于干扰规避的波束选择方法，其特征在于，步骤2.4中，基站遍历候选波束集中所有波束之间的干扰强度关系，并将每两个波束之间的干扰强度关系加入到波束间干扰关系表中，整理出每个波束与其对应干扰波束集合的干扰波束表，以矩阵形式来表现波束间干扰关系表；

利用I_ij替换波束间干扰关系表mCrossPf中的Cross_i，j＝(<B_i，B_j>，I_ij)中的干扰强度；

得到波束间干扰关系表后，即可从中获取基站的所有候选波束及每两个候选波束之间的干扰关系信息。