宽带毫米波混合波束成型系统中的用户选择与资源分配

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混合波束成形(Hybrid Beamforming,HBF)技术一方面可以极大弥补在第五代移动通信系统(The 5th Generation Mobile Networks,5G)中应用毫米波频段所产生的高路损,同时相较于全数字波束成形在硬件复杂度、硬件成本与系统性能表现上有着更好的折衷,更易部署,因而成为满足5G系统对更高频谱利用率要求的一项关键技术。在一个单基站和多用户的混合波束成形系统中,当基站过载,也即请求基站服务的用户数多于基站可服务用户数时,就引发了选择哪些用户进行服务的用户调度问题。与传统MIMO系统用户调度仅需在候选用户集合中确定服务用户不同,单载波混合波束成形系统中的用户调度需要在用户选择以及各用户与基站间的通信波束对选择这两个维度上进行联合优化。更进一步地,多载波毫米波混合波束成形系统还可能涉及用户频率资源的分配问题,即需要联合优化用户选择、通信波束对选择及频率资源分配,因此处理流程更为复杂。现有研究工作涉及较少,已有解决方案中,直接应用穷举法遍历各资源维度所有组合会导致调度复杂度极高无法实际应用,此外一些启发式搜索机制也存在需知用户与基站间完整信道状态信息(Channel Status Information,CSI)、较少涉及宽带系统等不足。针对上述挑战,本文以频谱效率作为调度系统性能指标,研究了宽带毫米波混合波束成形系统中关于用户选择、波束配对以及频率资源分配的联合优化问题,并力求获得低复杂度、可不依赖CSI工作的实用化设计。首先,针对每位用户均占用同一频段上的全部子载波情况,此时不必考虑在各用户间进行频率资源分配的问题。针对这种全频段用户调度,本文提出了一种基于接收信号强度和波束指向信息的启发式用户调度机制。从增强各选择服务用户信道能量和减小各用户间干扰两方面考虑,完成候选用户筛选和通信波束对的确定。仿真结果显示,该调度机制在波束训练阶段的计算复杂度从穷举调度随候选用户指数级增长变为随之线性增长,同时频谱效率降低不超过5%,相较于只考虑用户信道能量的基准方案在性能表现上获得较大提高,从而在复杂度和性能之间实现了较好的折衷。接着,针对宽带混合波束成形系统中的部分频段用户调度,本文提出频率资源块分配、波束配对、用户分组与选择三阶段逐步递进的分步调度流程框架,并设计了各阶段的具体实现方案,形成基于不同波束训练模式和基于不同资源域分组的调度机制。所提机制在用户与基站间作单边或双边波束训练,根据最大接收信号强度得到各用户与基站通信时的最佳波束对和频率资源块组合,从而可以在波束或者频率两个维度进行不同的用户分组。仿真表明与穷举调度相比,分步调度机制频谱效率的下降不超过4%。进一步比较不同波束训练模式和不同分组方式对调度的性能影响,发现单边波束训练相较双边模式以略低的频谱效率表现为代价取得了更低的算法复杂度。此外,以频率进行用户分组时的系统频谱效率优于波束分组方案,所以在波束域和频域均可选择时应优先考虑以占用频率不同对用户分组。该分步调度框架和相关比较结论对宽带混合波束成形系统多用户调度机制设计以及用户选择和资源分配方案选取具有一定的工程指导意义。
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