【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于mab的大规模mimo用户调度和波束赋形方法及系统，属于无线通信。
技术介绍
1、信道状态信息的获取难易程度对于大规模mimo系统预编码算法的研究至关重要。对于目前通信领域中的两种双工方式，即频分双工（fdd）和时分双工（tdd），它们的信道状态信息获取方式有着显著区别。对于频分双工（fdd）方式，由于上下行信道不对称，下行链路同样需要基站发送导频序列，终端设备分别计算各自的所属信道的状态信息并反馈给基站，其导频开销量将与天线阵列的数量成正比，显然对于大规模mimo系统而言，众多的天线数造成了巨量的导频开销，导频污染也随之激增。虽然动态天线切换技术可以减少导频链路数量，但这种技术没有充分利用多天线增益的优势，并且在反向链路上存在信号延迟问题，因此很难及时获取系统所有的信道信息。
2、为了充分利用大规模mimo的优势，在基站（bs）获取信道状态信息尤为重要。然而，频分双工(fdd)中信道互易性不成立，为了获取瞬时csi，不得不取得较大的下行导频长度（dtl），承受大量csi反馈开销。在未来的无线通信中，tdd和fdd模式都是非常重要的，因此有必要减少频分双工（fdd）模式下的下行导频长度（dtl）和信道反馈。同时，在用户数大于系统所能服务的情况下，提高频谱效率也将会是系统的刚需。在频分双工（fdd）大规模mimo中，采用信道协方差矩阵（ccm）的两阶段波束成形（tsb）可以降低下行链路训练长度（dtl）和信道反馈。但估算信道协方差矩阵（ccm）的代价也是很大的。因此，有必要提出一种不需要信道协方差
3、adhikary利用大规模mimo的空间相关性和信道稀疏性，研究了一种两阶段预编码方案，该方案以联合空分多路复用（jsdm）技术为基础， 其关键思想是通过用户调度将具有不同空间特性的用户设备分配至不同组内，将下行预编码过程划分为两个矩阵的求解过程。为大规模mimo技术在频分双工（fdd）制式下的预编码实现奠定了基础。在用户数大于系统所能服务的情况下，一些研究提出了用户调度方案来提高频谱效率。这些工作依赖于基站上可用的ccm，但是信道协方差矩阵（ccm）的估计仍然是一个具有挑战性的问题。此外，在用户快速移动等场景下，信道协方差矩阵（ccm）变化较快，这使得ccm的估计更困难。
4、song考虑到估计ccm的高代价，设计了基于多臂赌博机（mab）的tsb方案，避免了对信道协方差矩阵（ccm）的估计，提高了频谱效率。基于多臂赌博机（mab）的tsb方案将预波束赋形矩阵设计问题转化为mab问题，并利用该算法训练预波束赋形矩阵，不再需要信道协方差矩阵（ccm）。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于mab的大规模mimo用户调度和波束赋形方法及系统，解决现有技术里面无法应对多用户场景、下行训练长度过长、有效频谱效率较低的问题；
2、为达到上述目的/为解决上述技术问题，本专利技术是采用下述技术方案实现的：
3、第一方面：一种基于mab的大规模mimo用户调度和波束赋形方法，所述方法包括：
4、建立tsb方案通信模型，得到频谱效率最大化的设计问题；
5、将得到的频谱效率最大化的设计问题转换为二维空间的组合式多臂赌博机问题；
6、将二维空间的组合式多臂赌博机问题的目标函数进一步分为两个子问题，在第一个子问题中选择赌博臂来寻找功率角谱中的零值，在第二个子问题选择赌博臂来最大化接收能量；
7、根据两个子问题，采用最优线性ucb算法和次优线性ucb算法对二维空间的组合式多臂赌博机问题进行求解，得到波束赋形矩阵。
8、可选地，所述建立tsb方案通信模型，得到频谱效率最大化的设计问题，包括：
9、采用dft矩阵来设计预波束赋形矩阵，其中，表示发送端未经处理的信号，用表示在第个时间窗口中的所选用户，用表示在第个时间窗口中的所选dft矢量，则预波束赋形矩阵表示为，在第个时间窗口中的有效信道矩阵表示为；
10、设为的基数，表示复数集合，l为基站阵元数量，则当基站发送信号的导频矩阵为时，第个用户接收到的信号为：
11、；
12、其中，表示共轭转置矩阵，表示第个用户在时刻接收到的信号，与为第个用户的信道矢量与第个时间窗口中的噪声；
13、在适用信道中，将问题转化为在下行训练长度受限的情况下设计和，使得频谱效率最大化，由香农公式的推导，在接收信号的能量最大时，频谱效率指标将随之提升，由于，预波束赋形矩阵的设计问题的目标函数为：
14、；
15、其中，表示在第个时间窗口中的所选用户，表示在第个时间窗口中的所选dft矢量，表示所选用户的索引集，表示所选dft矢量的索引集，为第个用户在第个时间窗口中的信道矢量，为索引为的dft矢量，为下行训练长度的限制常数。
16、可选地，所述将得到的频谱效率最大化的设计问题转换为二维空间的组合式多臂赌博机问题，包括：
17、二维空间的组合式多臂赌博机问题有两个变量集和，和表示这两个变量集各自的元素数量，为用户数，为dft矢量数，两个变量集每一对元素的组合均有一个未知的均值，每个均值均满足独立同分布；
18、将问题适用为两个变量集所对应的一个二维空间的组合式多臂赌博机问题，表示所选用户的索引集，，表示所选dft矢量的索引集，，多臂赌博机的超级臂为，相应的奖励为。
19、可选地，所述将得到的频谱效率最大化的设计问题转换为二维空间的组合式多臂赌博机问题，包括：
20、二维空间的组合式多臂赌博机问题有两个变量集和，和表示这两个变量集各自的元素数量，为用户数，为dft矢量数，两个变量集每一对元素的组合均有一个未知的均值，每个均值均满足独立同分布；
21、将问题适用为两个变量集所对应的一个二维空间的组合式多臂赌博机问题，表示所选用户的索引集，，表示所选dft矢量的索引集，，多臂赌博机的超级臂为，相应的奖励为。
22、可选地，所述将二维空间的组合式多臂赌博机问题的目标函数进一步分为两个子问题，包括：
23、第一个子问题，用一个标准化的效用函数对似然比在从0至1的区间内标准化，所述标准化的效用函数如下：
24、；
25、其中，表示第个用户的信道矢量经过第个dft矢量的运算后信号能量的似然比，则为的标准化形式，似然比越大，也随之越大，若信号以相同的概率传输，则与其所映射的非零；
26、则第一个子问题被转化为如何选择与能让之和最大，第一个子问题公式表达如下：
27、；
28、；
29、；
30、其中，表示第个用户的信道矢量经过第个dft矢量的运算后信号能量的标准化似然比，表示所选用户的索引集，表示所选dft矢量的索引集，为下行训练长度的限本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于MAB的大规模MIMO用户调度和波束赋形方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于MAB的大规模MIMO用户调度和波束赋形方法，其特征在于，所述建立TSB方案通信模型，得到频谱效率最大化的设计问题，包括：
3.根据权利要求2所述的基于MAB的大规模MIMO用户调度和波束赋形方法，其特征在于，所述将得到的频谱效率最大化的设计问题转换为二维空间的组合式多臂赌博机问题，包括：
4.根据权利要求3所述的基于MAB的大规模MIMO用户调度和波束赋形方法，其特征在于，所述将二维空间的组合式多臂赌博机问题的目标函数进一步分为两个子问题，包括：
5.根据权利要求1所述的基于MAB的大规模MIMO用户调度和波束赋形方法，其特征在于，根据两个子问题，采用最优线性UCB算法或次优线性UCB算法对二维空间的组合式多臂赌博机问题进行求解，得到波束赋形矩阵，包括：基于单环信道的应用场合采用最优线性UCB算法和次优线性UCB算法对二维空间的组合式多臂赌博机问题进行求解，得到波束赋形矩阵。
6.根据权利要求5所述的基于M
7.根据权利要求6所述的基于MAB的大规模MIMO用户调度和波束赋形方法，其特征在于，基于单环信道的应用场合，采用次优线性UCB算法对二维空间的组合式多臂赌博机问题进行求解，得到波束赋形矩阵，包括：
8.根据权利要求5所述的基于MAB的大规模MIMO用户调度和波束赋形方法，其特征在于，还包括：基于多散射簇信道，将约束条件中下行训练长度的计算转换为图着色问题，采用次优线性UCB算法对图的色数进行求解，得到波束赋形矩阵，其中，将约束条件中下行训练长度的计算转换为图着色问题，包括：
9.根据权利要求8所述的基于MAB的大规模MIMO用户调度和波束赋形方法，其特征在于，基于多散射簇信道中，将下行训练长度转换为图的色数，采用次优线性UCB算法对图的色数进行求解，得到波束赋形矩阵，包括：
10.一种基于MAB的大规模MIMO用户调度和波束赋形系统，其特征在于，所述系统包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于mab的大规模mimo用户调度和波束赋形方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于mab的大规模mimo用户调度和波束赋形方法，其特征在于，所述建立tsb方案通信模型，得到频谱效率最大化的设计问题，包括：
3.根据权利要求2所述的基于mab的大规模mimo用户调度和波束赋形方法，其特征在于，所述将得到的频谱效率最大化的设计问题转换为二维空间的组合式多臂赌博机问题，包括：
4.根据权利要求3所述的基于mab的大规模mimo用户调度和波束赋形方法，其特征在于，所述将二维空间的组合式多臂赌博机问题的目标函数进一步分为两个子问题，包括：
5.根据权利要求1所述的基于mab的大规模mimo用户调度和波束赋形方法，其特征在于，根据两个子问题，采用最优线性ucb算法或次优线性ucb算法对二维空间的组合式多臂赌博机问题进行求解，得到波束赋形矩阵，包括：基于单环信道的应用场合采用最优线性ucb算法和次优线性ucb算法对二维空间的组合式多臂赌博机问题进行求解，得到波束赋形矩阵。
6.根据权利要求5所述的基于...
【专利技术属性】
技术研发人员：马钰杰，李超鹏，景潇喆，宋云超，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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