基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO波束选择与传输方法技术

本发明专利技术提出了一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO波束选择方法，首先依据统计信道信息构建传输二分图，再基于设定的准则选择出满足传输要求的用户和波束方向构成的子二分图，以确定用户波束的选择方案。在此基础上本发明专利技术提出了基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO传输方法，首先基站和各V2V‑Tx根据探测信号估计各用户的统计信道信息并发送给中央控制单元进行用户波束选择；接着基站和各V2V‑Tx根据波束选择结果设计各自的统计预编码矩阵，各用户在等效的降维信道上实施信道估计和数据传输。在各用户移动过程中，随着信道统计特性的变化，动态地实施二分图的构建以及用户波束的选择。本发明专利技术能够大幅降低系统导频开销，提高蜂窝车联网系统的传输性能。

Beam selection and transmission method of large-scale MIMO in cellular vehicle network based on bipartite graph

【技术实现步骤摘要】
基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO波束选择与传输方法
本专利技术涉及一种蜂窝车联网大规模MIMO无线通信方法，尤其涉及一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO波束选择与传输方法。
技术介绍
先进的车载通信和网络技术在设计无线车联网(V2X)通信中起着基础性的作用。为满足未来V2V通信应用需求，需要深度挖掘利用空间无线资源，大幅提升V2V无线通信的频谱利用率和功率利用率。因此，把大规模MIMO系统引入V2V通信中成为一个非常有潜力的解决方案。在车辆发送端配置大规模天线阵列(数十根以上)，以深度挖掘利用空间维度资源，成为未来V2V无线通信的发展趋势之一。在实际大规模MIMO系统中，每个蜂窝用户仅配置单根天线或者几根天线，而基站通常配置大量天线，这导致下行链路的信道估计比上行链路更加困难。为了准确及时地获取下行信道信息，采用基于全正交导频辅助的信道估计方法会导致巨大的导频开销。特别在V2V和V2N场景中，由于车辆用户的高速移动，V2V/V2N信道衰落快，信道估计和预编码的设计面临更大的挑战。因此，寻求一种用等效的降维信道取代原始大维信道的方法在V2V无线通信具有一定的优势。在等效降维信道上进行信道估计和数据传输，可以大幅降低系统的导频开销并提高频谱效率。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO波束选择与传输方法，利用二分图方法选择满足传输要求的用户和波束，从而有效降低蜂窝用户和各V2V-Rx的信道维度，达到使用较小的导频维度就可以准确估计大维信道的目的，以节省系统的导频开销，提高频谱效率。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术所述的一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO波束选择方法，适用于FDD或TDD蜂窝车联网大规模MIMO无线通信系统，所述无线通信系统包括多个蜂窝用户和多对V2V通信，每个V2V通信对包含一个发送车辆用户(V2V-Tx)和一个接收车辆用户(V2V-Rx)；所述方法包括如下步骤：利用基站、蜂窝用户和V2V用户间的统计信道信息，基于设定的信道能量阈值版本构建传输二分图；所述二分图包括波束顶点集合、用户顶点集合和连接波束顶点和用户顶点的边的集合；通过建立优化问题选择出满足传输要求的用户和波束方向构成的子二分图，确定用户波束的选择方案；所述优化问题建立的准则包括：子二分图上的每个基站波束顶点至少连接一个蜂窝用户，每个V2V-Tx波束顶点必须连接同通信对中的V2V-Rx，每个蜂窝用户至少连接一个基站波束顶点，每个V2V-Rx至少连接同通信对中V2V-Tx的一个波束顶点；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束总数小于等于给定的导频维度；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中期望信道能量之和占信道总能量的大部分；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中干扰信道能量之和占信道总能量的小部分；最大化由选择出的用户和波束构成的有效信道矩阵的秩或者最大化蜂窝用户和V2V-Rx的数目之和；其中基站与蜂窝用户间、同一个通信对中V2V-Tx和V2V-Rx间的信道为期望信道，基站与V2V-Rx间、非同一个通信对中V2V-Tx和V2V-Rx间的信道为干扰信道，信道能量由信道的统计信息给定。在优选的实施方式中，所建立的优化问题以最大化由选择出的用户和波束构成的有效信道矩阵的秩或最大化蜂窝用户和V2V-Rx的数目之和为目标；约束条件包括每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束总数小于等于给定的导频维度，每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中期望信道能量之和大于等于设定的阈值，以及每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中干扰信道能量之和小于等于设定的阈值；通过混合整数线性规划选择出基站和各V2V-Tx满足传输条件的波束索引以及用户索引。本专利技术所述的一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO传输方法，包括如下步骤：基站和各V2V-Tx根据上行阶段接收到的探测信号估计蜂窝用户和V2V-Rx的统计信道信息；基站和各V2V-Tx将所述统计信道信息通过回程链路交予中央控制单元，中央控制单元综合利用所有的统计信道信息，根据权利要求1-2任一项所述的波束选择方法实施二分图的构建和子二分图的选择，并将子二分图中基站和各V2V-Tx的波束索引以及用户索引通过回程链路发送给相应的基站和各V2V-Tx；基站和各V2V-Tx分别实施统计预编码，蜂窝用户和各V2V-Rx在等效的降维信道上实施信道估计和数据传输；在蜂窝用户和V2V用户移动过程中，随着蜂窝用户和V2V用户的信道统计特性的变化，基站和各V2V-Tx周期性获得更新后的统计信道信息，并将统计信道信息通过回程链路发送给中央控制单元，中央控制单元根据更新后的所有用户的统计信道信息动态地实施二分图的构建、子二分图的选择。在优选的实施方式中，所述的蜂窝车联网大规模MIMO无线通信系统中基站侧和各V2V-Tx侧天线阵列的各天线单元之间的间距小于载波的波长，当各天线采用全向天线或120度扇区天线或60度扇区天线时，各天线之间的间距为1/2波长或波长或1个波长；每个天线单元采用单极化或多极化天线。在优选的实施方式中，基站和各V2V-Tx依据中央控制单元返回的用户及波束选择结果，设计各自的统计预编码矩阵；中央控制单元将选择的基站波束的索引返回给基站，基站的预编码矩阵表示为其中表示基站波束的索引集合，表示由M×M的单位矩阵I中位于集合中索引位置处的列向量组成的新矩阵，M为基站天线数目；中央控制单元将选择的各V2V-Tx波束索引返回给各V2V-Tx，第d个V2V-Tx的预编码矩阵表示为其中表示第d个V2V-Tx波束的索引集合，表示由N×N的单位矩阵I中位于集合中索引位置处的列向量组成的新矩阵，N为第d个V2V-Tx的天线数目。在优选的实施方式中，基站和各V2V-Tx依据中央控制单元返回的波束选择结果，设计各自的统计预编码矩阵，基站通过统计预编码矩阵建立各用户的等效降维信道，各V2V-Tx通过统计预编码矩阵建立各用户的等效降维信道：其中表示第l个V2V-Tx的预编码矩阵，和分别表示基站到第k个蜂窝用户、第l个V2V-Tx到第k个蜂窝用户、第l个V2V-Tx到第d个V2V-Rx和基站到第d个V2V-Rx的信道，和分别表示和的等效降维信道；蜂窝用户和各V2V-Tx在等效的降维信道上实施信道估计和数据传输。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1、基于二分图建立的优化问题，可以转化混合整数线性规划问题，通过MATLAB高效解决，所提出的二分图方法复杂性低。同时优化问题可以根据具体要求具体建立，二分图方法适用性强。2、提出的二分图方法适用于FDD和TDD大规模MIMO系统，高效满足传输要求的用户和波束，通过在降维等效信道上进行信道估计和预编码，大幅降低了系统的导频开销，系统净频谱效率得到有效提高。3、二分图方法所选择的各用户的等效降维信道综合考虑了期望信道和干扰信道，设定的导频维度可以同时估计期望信道和干扰信道，信道估计的准确度高。附图说明为了更清楚地说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO波束选择方法，适用于FDD或TDD蜂窝车联网大规模MIMO无线通信系统，所述无线通信系统包括多个蜂窝用户和多对V2V通信，每个V2V通信对包含一个发送车辆用户(V2V-Tx)和一个接收车辆用户(V2V-Rx)，其特征在于：所述方法包括如下步骤：/n利用基站、蜂窝用户和V2V用户间的统计信道信息，基于设定的信道能量阈值版本构建传输二分图；所述二分图包括波束顶点集合、用户顶点集合和连接波束顶点和用户顶点的边的集合；/n通过建立优化问题选择出满足传输要求的用户和波束方向构成的子二分图，确定用户波束的选择方案；所述优化问题建立的准则包括：子二分图上的每个基站波束顶点至少连接一个蜂窝用户，每个V2V-Tx波束顶点必须连接同通信对中的V2V-Rx，每个蜂窝用户至少连接一个基站波束顶点，每个V2V-Rx至少连接同通信对中V2V-Tx的一个波束顶点；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束总数小于等于给定的导频维度；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中期望信道能量之和占信道总能量的大部分；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中干扰信道能量之和占信道总能量的小部分；最大化由选择出的用户和波束构成的有效信道矩阵的秩或者最大化蜂窝用户和V2V-Rx的数目之和；其中基站与蜂窝用户间、同一个通信对中V2V-Tx和V2V-Rx间的信道为期望信道，基站与V2V-Rx间、非同一个通信对中V2V-Tx和V2V-Rx间的信道为干扰信道，信道能量由信道的统计信息给定。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO波束选择方法，适用于FDD或TDD蜂窝车联网大规模MIMO无线通信系统，所述无线通信系统包括多个蜂窝用户和多对V2V通信，每个V2V通信对包含一个发送车辆用户(V2V-Tx)和一个接收车辆用户(V2V-Rx)，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
利用基站、蜂窝用户和V2V用户间的统计信道信息，基于设定的信道能量阈值版本构建传输二分图；所述二分图包括波束顶点集合、用户顶点集合和连接波束顶点和用户顶点的边的集合；
通过建立优化问题选择出满足传输要求的用户和波束方向构成的子二分图，确定用户波束的选择方案；所述优化问题建立的准则包括：子二分图上的每个基站波束顶点至少连接一个蜂窝用户，每个V2V-Tx波束顶点必须连接同通信对中的V2V-Rx，每个蜂窝用户至少连接一个基站波束顶点，每个V2V-Rx至少连接同通信对中V2V-Tx的一个波束顶点；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束总数小于等于给定的导频维度；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中期望信道能量之和占信道总能量的大部分；每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中干扰信道能量之和占信道总能量的小部分；最大化由选择出的用户和波束构成的有效信道矩阵的秩或者最大化蜂窝用户和V2V-Rx的数目之和；其中基站与蜂窝用户间、同一个通信对中V2V-Tx和V2V-Rx间的信道为期望信道，基站与V2V-Rx间、非同一个通信对中V2V-Tx和V2V-Rx间的信道为干扰信道，信道能量由信道的统计信息给定。


2.根据权利要求1所述的一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO波束选择方法，其特征在于：所建立的优化问题以最大化由选择出的用户和波束构成的有效信道矩阵的秩或最大化蜂窝用户和V2V-Rx的数目之和为目标；约束条件包括每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束总数小于等于给定的导频维度，每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中期望信道能量之和大于等于设定的阈值，以及每个蜂窝用户和V2V-Rx选择的波束中干扰信道能量之和小于等于设定的阈值；通过混合整数线性规划选择出基站和各V2V-Tx满足传输条件的波束索引以及用户索引。


3.一种基于二分图的蜂窝车联网大规模MIMO传输方法，所述方法适用于FDD或TDD蜂窝车联网大规模MIMO无线通信系统，所述无线通信系统包括多个蜂窝用户和多对V2V通信对，每个V2V通信对包含一个发送车辆用户(V2V-Tx)和一个接收车辆用户(V2V-Rx)；其特征在于：所述方法包括如下步骤：
基站和各V2V-Tx根据上行阶段接收到的探测信号估计蜂窝用户和V2V-Rx的统计信道...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤力，肖萌，牛昕鑫，喻渲清，方佳兴，王闻今，仲文，高西奇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32