[发明专利]一种大规模MIMO波束域联合单播多播传输方法

说明书

本发明提出一种大规模MIMO波束域联合单播多播传输方法，该方法中无线通信的基站侧配置了大规模天线阵列，通过波束赋形生成覆盖整个小区的大规模波束集合。基站在相同的时频资源上采用波束域联合单播和多播的方式与小区内的用户进行通信。基站根据小区内各个用户的波束域统计信道状态信息，对波束域的多播信号和发送给各个用户的单播信号进行功率分配。其中，波束域功率分配基于MM迭代算法和确定性等同方法，通过迭代求解凸优化问题获得波束域功率分配矩阵，并随着统计信道状态信息的变化动态更新。本发明解决了基站侧仅知统计信道信息的波束域联合单播多播传输的功率分配优化问题，提升了系统单播和多播传输速率，并且有效降低了实现的复杂度。

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种利用大规模天线阵列在相同时频资源下进行联合单播多播的波束域无线传输方法。

背景技术

大规模MIMO系统中，基站布置大规模天线阵列同时服务多个用户。采用大规模MIMO技术可以有效降低用户间干扰，大幅度提高无线通信系统的频谱利用率和功率效率。波束域传输是指基站侧通过统一的酉变换将发送信号转换到波束域，在波束域信道进行信号传输，充分利用大规模天线阵列的空间角度分辨率和用户信道在波束域中的局部性特性。

在联合单播多播的场景下，基站在相同的时频资源上同时发送给小区内所有用户的多播信号和针对单个用户的单播信号。在该场景下，往往需要构建并求解关于发送信号功率分配问题，使得整个系统的单播速率和多播速率的加权平均达到最大，并且此类问题的优化目标函数往往是非凸的，通常难以得到全局最优解。同时，优化过程中求解单播多播速率都需要进行求期望的运算，实现复杂度很高。为此，本发明提出了一种低复杂度的利用统计信道状态信息的大规模MIMO波束域联合单播多播传输方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是在小区基站同时发送单播信号和多播信号的场景下，提供一种利用统计信道状态信息进行联合单播多播的传输方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种大规模MIMO波束域联合单播多播传输方法，包括以下步骤：

(1)在基站与用户组进行联合单播多播通信的场景下，配置大规模天线阵列的基站通过模拟多波束赋形或数字多波束赋形或模拟与数字混合波束赋形的方法生成能够覆盖整个小区的波束集合；

(2)基站利用小区内用户的波束域统计信道状态信息，构建并求解波束域联合单播多播功率分配优化问题对发送信号进行功率分配；所述波束域联合单播多播功率分配优化问题的优化目标为最大化系统单播速率和多播速率的加权平均，优化变量为基站发送的多播信号和给各个用户的单播信号的协方差矩阵；约束条件为基站发送总信号的协方差矩阵满足功率约束；

(3)在各用户移动过程中，随着基站与各用户之间统计信道状态信息的变化，基站侧动态实施波束域功率分配，联合单播多播过程动态更新。

所述步骤(1)中基站生成能够覆盖整个小区的大规模波束集合实现空间资源的波束域划分，基站在同一时频资源上小区内用户进行联合单播多播通信，该联合单播多播通信的过程在波束域上实施。

所述步骤(2)中基站利用小区内用户的波束域统计信道状态信息对发送信号进行功率分配。基站根据小区用户在上行信道探测阶段发送的探测信号估计出实施波束域功率分配所需的波束域统计信道状态信息。具体的分配方法基于MM(Minorize-Maximization)迭代算法和确定性等同方法。

上述的基于MM迭代算法和确定性等同方法的功率分配方法包括：

(a)将当次迭代过程中单播速率和多播速率加权平均表达式中的干扰速率项进行一阶泰勒展开近似，将非凸的问题转化为关于波束域功率分配的凸优化问题，然后利用内点法或其他优化方法进行求解。