基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法.pdf

本发明公开了一种基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法，基站配置毫米波大规模均匀平板天线阵列，若干单天线用户在同一时频资源上接受基站服务，根据用户所选波束簇的信息，用户全集被划分为无干扰用户集合与干扰用户集合两个子集，对无干扰用户集合采用基于双层预编码的空分多址传输方法，对干扰用户集合采用基于干扰抑制的传输方法。该发明结合了空分多址与干扰抑制这两种传统多用户传输方法各自的优点，突破了FDD传输模式下大规模MIMO系统下行信道信息获取困难的瓶颈，同时克服了计算复杂度难题，保证了所有用户能够同时接受基站服务，利用有限的反馈量实现出可观的系统和速率性能。

1.  一种基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法，其特征在于：在基站配置毫米波大规模均匀平板天线阵列，若干单天线用户在同一时频资源上接受基站服务，根据用户所选的波束簇信息，用户全集被划分为无干扰用户集合和干扰用户集合两个子集，对无干扰用户集合采用基于双层预编码的空分多址传输方法，对干扰用户集合采用基于干扰抑制的传输方法，利用波束域信道特性，基站仅在每个用户信道能量集中的少量波束上发送正交导频序列，用户估计出低维的等效波束域信道矢量，并根据本身所属集合的不同，分别计算相应的反馈信息并反馈至基站，最后基站根据反馈结果进行预编码矢量的设计与数据传输；具体包括如下步骤：
(1)基站根据上行信道探测过程得到每个用户的波束域统计信道信息，进而确定信道主瓣所占据的波束簇，并根据波束簇之间的关系对用户进行分类，形成无干扰用户集合与干扰用户集合；
(2)基站在每个用户所确定的波束簇上发送下行用户专用导频，用户根据接收到的导频信息完成波束域信道估计，无干扰用户集合中的用户还需根据信道估计结果计算出第二层预编码矢量编号；
(3)无干扰用户集合中的用户将各自所对应的第二层预编码矢量编号反馈回基站，干扰用户集合中的用户将估计出的等效波束域信道矢量完全反馈至基站；
(4)基站根据接收到的反馈信息对两个子集中的用户分别设计预编码矢量，进行数据传输。

2.  根据权利要求1所述的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法，其特征在于：所述步骤(1)中，用户被归入无干扰用户集合的条件为：该用户选择的波束簇与其他任何用户所选择的波束簇的交集均为空。

3.  根据权利要求1所述的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法，其特征在于：所述步骤(1)中，用户被归入干扰用户集合的条件为：该用户选择的波束簇与某一用户所选择的波束簇的交集非空。

4.  根据权利要求1所述的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法，其特征在于：对无干扰用户集合采用基于双层预编码的空分多址传输方法，这里所说空分多址是指无干扰用户集合中的每个用户均在其所选波束簇上直接进行数据传输，无需再对用户进行调度；由于无干扰用户集合中用户的波束域信道之间相互正交，则可用波束之间的正交性来代表空间的正交性，使不同用户占用互不相交波束簇 进行数据传输，相当于将多用户传输过程划分成多个并行的单用户传输过程。

5.  根据权利要求4所述的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法，其特征在于：对无干扰用户集合采用基于双层预编码的空分多址传输方法，这里所说的双层预编码写成w_SDMA＝W₁w₂的形式，即完整的预编码矢量w_SDMA是由一个预编码矩阵W₁和一个预编码矢量w₂相乘得到，第一层预编码W₁用于将发射信号对准步骤(1)中所选择的信道能量集中分布的波束簇方向上，第二层预编码w₂用于多波束的凝聚，使能量集中在最强波束上，是针对低维等效波束域信道的预编码，并需要对其建立码本；以h代表1×N_t维物理信道，代表1×N_b维等效波束域信道，这里，N_t为基站天线数，N_b为每个用户所选波束的数量，为波束变换矩阵，为波束选择矩阵，则U·B即为第一层预编码矩阵W₁，根据元素之间的相位特性建立w₂码本，使之起到相位补偿的作用，该码本中任一码字可表示为：
w2(k)=[1,ejφk,1,ejφk,2,...,ejφk,Nb-1]H,k=1,2,...,2Nb-1]]>
这里，φ_k,i,i＝1,...,N_b-1为中第i+1号元素与第1号元素的相位差，由于该相位差可根据波束编号对应关系进行预测，则w₂共有种取值集合，即码本中码字总数为k为码字对应编号。

6.  根据权利要求5所述的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法，其特征在于：所述步骤(2)中，无干扰用户集合中的用户需要根据信道估计结果计算出第二层预编码矢量编号，该第二层预编码矢量编号用于进行w₂码字选择；仅需基站端针对每个用户所选波束簇信息来建立一份w₂码本，而用户端无需建立码本，仅需要将中的第2～N_b号元素与第1号元素之间相位差的正负值用0/1序列表示并折合为十进制数字，该十进制数字即为所求PMI。

7.  根据权利要求1所述的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法，其特征在于：对干扰用户集合采用基于干扰抑制的传输方法，这里对干扰用户集合继续划分，得到若干个最大干扰用户组；若对于干扰用户组组内任意一对成员之间的关系满足(u_M,i,u_M,j)或〈u_M,i,u_M,j〉，则称U_M为一个最大干扰用户组，其中，(u_M,i,u_M,j)表示用户u_M,i与u_M,j所选波束簇存在交集，称为直接关联；〈u_M,i,u_M,j〉表示当(u_M,i,u_M,k)与(u_M,k,u_M,j)同时存在时，u_M,i与u_M,j通过中间用户u_M,k间接关联，间接关系可为多级。

8.  根据权利要求1所述的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法，其特征在于：对干扰用户集合采用基于干扰抑制的传输方法，所述干扰抑制具体为迫零预编码方法。

9.  根据权利要求1所述的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法，其特征在于：所述步骤(2)中，基站在每个用户所确定的波束簇上发送下行用户专用导频，所述专用导频序列长度仅为相应用户波束簇的大小N_b，用户根据接收到的低维导频序列，以估计出下行链路的低维等效波束域信道；若下行链路用户i接收到的导频序列为：
yi=h~i(e)pi+ni=hi·U·Bi·pi+ni]]>
其中，为基站发送给用户i的专用导频序列，n_i为加性高斯白噪声，以h代表1×N_t维物理信道，代表1×N_b维等效波束域信道，这里，N_t为基站天线数，N_b为每个用户所选波束的数量，为波束变换矩阵，为波束选择矩阵；对该用户的接收信道进行最小二乘信道估计即可得到等效波束域信道为：
h~^i(e)=yi·pi-1.]]>

基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法
技术领域
本发明涉及一种毫米波传输条件下的多用户大规模天线发送和多天线接收(多用户大规模MIMO)系统的有限反馈方法，尤其涉及一种基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法。
背景技术
当今移动通信系统的工作频率为300MHz-6GHz，该频段通常被认为是无线通信的最佳频段，能够制造较为有利的传播条件。随着用户数量的增加以及数据业务的多样化，6GHz以下频段的业务量趋于过载，难以满足日益增加的通信速率需求，而6GHz以上频段(超高频、甚高频)尚未得到充分使用，因此极具开发潜力。当工作频率为6GHz-300GHz时，载波波长通常在毫米级甚至以下，这种传输方式被称为毫米波传输。随着信息产业的快速发展，为满足用户对信息传输速率以及服务质量的需求，多输入多输出(MIMO)技术应运而生，其通过在发送或接收端设置多根天线，采用分集、复用、波束成形等方法，能够有效提升通信系统的信道容量，并使系统可以在同一时频资源上服务多个用户，实现多用户传输。近年来提出的大规模MIMO技术，通过在基站端架设大规模天线阵列，能够大幅提高空间分辨率，并产生具有强方向性的极窄波束，在提升波束成形增益的同时减少多用户干扰，进一步提高系统吞吐量。在大规模MIMO系统中，天线阵列阵元之间的常用间距为载波波长的一半，由于毫米波的波长较小，因此可以在相同空间范围内容纳数目庞大的天线单元，从而更好得实现大规模MIMO技术。
目前，业界已对毫米波大规模MIMO系统展开广泛讨论与深入研究，有学者利用毫米波大规模MIMO系统波束域信道的稀疏性，提出了一种低秩的多用户传输方案，在保证较高系统容量的同时有效抑制用户间干扰。用户间干扰的消除是多用户传输方案的研究重点，目前广泛使用的两类干扰消除方法为：一、空分多址(SDMA)，利用波束之间的正交性来划分空间，通过一定的调度准则，使基站同时服务空间上相距较远的若干用户，相当于将多用户传输过程分解为并行的多个单用户传输过程，缺点是每段时隙存在部分用户无法接受调度的情况；二、抑制干扰的预编码，如迫零预编码等，所有用户同时接受基站服务，基站端根据用户反馈的信道信息产生一个预编码矩阵，每个用户对应的预编码矢量能够使该用户信道方向能量增强，同时抑制干扰用户的信道能量，因此较为公平有效，缺点是计算复杂度高，反馈量巨大。这两种方法各有利弊，如何将它们结合起来，达到优势互补，成为研究的难题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法，发明结合了空分多址与干扰抑制这两种传统多用户传输方法各自的优点，突破了FDD传输模式下大规模MIMO系统下行信道信息获取困难的瓶颈，同时克服了计算复杂度难题，保证了所有用户能够同时接受基站服务，利用有限的反馈量实现出可观的系统和速率性能。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法，在基站配置毫米波大规模均匀平板天线阵列，若干单天线用户在同一时频资源上接受基站服务，根据用户所选的波束簇信息，用户全集被划分为无干扰用户集合和干扰用户集合两个子集，对无干扰用户集合采用基于双层预编码的空分多址传输方法，对干扰用户集合采用基于干扰抑制的传输方法，利用波束域信道特性，基站仅在每个用户信道能量集中的少量波束上发送正交导频序列，用户估计出低维的等效波束域信道矢量，并根据本身所属集合的不同，分别计算相应的反馈信息并反馈至基站，最后基站根据反馈结果进行预编码矢量的设计与数据传输；具体包括如下步骤：
(1)基站根据上行信道探测过程得到每个用户的波束域统计信道信息(用户所选波束簇的信息)，进而确定信道主瓣所占据的波束簇，并根据波束簇之间的关系对用户进行分类，形成无干扰用户集合与干扰用户集合；
(2)基站在每个用户所确定的波束簇上发送下行用户专用导频，用户根据接收到的导频信息完成波束域信道估计，无干扰用户集合中的用户还需根据信道估计结果计算出第二层预编码矢量编号；
(3)无干扰用户集合中的用户将各自所对应的第二层预编码矢量编号反馈回基站，干扰用户集合中的用户将估计出的等效波束域信道矢量完全反馈至基站；
(4)基站根据接收到的反馈信息对两个子集中的用户分别设计预编码矢量，进行数据传输。
具体的，所述步骤(1)中，用户被归入无干扰用户集合的条件为：该用户选择的波束簇与其他任何用户所选择的波束簇的交集均为空；若用户i所选择的波束簇的编号集合为indexi={i1,i2,...,iNb},]]>则对无干扰用户集合U0={u0,1,u0,2,...,u0,K0}]]>中的任一用户u_0,k，均有：
i＝1,...,K₀且i≠u_0,k。
具体的，所述步骤(1)中，用户被归入干扰用户集合的条件为：该用户选择的波束簇与某一用户所选择的波束簇的交集非空；即干扰用户集合是无干扰用户集合相对于用户全集的补集，基于前面定义的无干扰用户集合U₀，若用户全集定义为U＝{1,2,...,K}，则干扰用户集合定义为U_Inter＝U-U₀。
具体的，对无干扰用户集合采用基于双层预编码的空分多址传输方法，这里所说空分多址是指无干扰用户集合中的每个用户均在其所选波束簇上直接进行数据传输，无需再对用户进行调度；由于无干扰用户集合中用户的波束域信道之间相互正交，则可用波束之间的正交性来代表空间的正交性，使不同用户占用互不相交波束簇进行数据传输，相当于将多用户传输过程划分成多个并行的单用户传输过程。
具体的，对无干扰用户集合采用基于双层预编码的空分多址传输方法，这里所说的双层预编码可以写成w_SDMA＝W₁w₂的形式，即完整的预编码矢量w_SDMA是由一个预编码矩阵W₁和一个预编码矢量w₂相乘得到，第一层预编码W₁用于将发射信号对准步骤(1)中所选择的信道能量集中分布的波束簇方向上，第二层预编码w₂用于多波束的凝聚，使能量集中在最强波束上，也可认为是针对低维等效波束域信道的预编码，并需要对其建立码本；以h代表1×N_t维物理信道，代表1×N_b维等效波束域信道，这里，N_t为基站天线数，N_b为每个用户所选波束的数量(即波束簇的大小)，为波束变换矩阵，为波束选择矩阵，则U·B即为第一层预编码矩阵W₁，又可根据元素之间的相位特性建立w₂码本，使之起到相位补偿的作用，该码本中任一码字可表示为：
w2(k)=[1,ejφk,1,ejφk,2,...,ejφk,Nb-1]H,k=1,2,...,2Nb-1]]>
这里，φ_k,i,i＝1,...,N_b-1为中第i+1号元素与第1号元素的相位差，由于该相位差可根据波束编号对应关系进行预测，则w₂共有种取值集合，即码本中码字总数为k为码字对应编号。
具体的，所述步骤(2)中，无干扰用户集合中的用户需要根据信道估计结果计算出第二层预编码矢量编号(PMI)，该第二层预编码矢量编号PMI用于进行w₂码字选择；仅需基站端针对每个用户所选波束簇信息来建立一份w₂码本，而用户端无需建立码本，仅需要将中的第2～N_b号元素与第1号元素之间相位差的正负值用0/1序列表示并折合为十进制数字，该十进制数字即为所求PMI。
具体的，对干扰用户集合采用基于干扰抑制的传输方法，这里对干扰用户集合继续划分，得到若干个最大干扰用户组；若对于干扰用户组组内任意一对成员之间的关系满足(u_M,i,u_M,j)或〈u_M,i,u_M,j〉，则称U_M为一个最大干扰用户组，其中，(u_M,i,u_M,j)表示用户u_M,i与u_M,j所选波束簇存在交集，称为直接关联；〈u_M,i,u_M,j〉表示当(u_M,i,u_M,k)与(u_M,k,u_M,j)同时存在时，u_M,i与u_M,j通过中间用户u_M,k间接关联，间接关系可为多级。
具体的，对干扰用户集合采用基于干扰抑制的传输方法，这里的干扰抑制是指对每个最大干扰用户组分别进行组内干扰抑制，而组与组之间由于互不交叠，因此无需再进行组间干扰抑制，所述干扰抑制的一种具体实现方法为迫零预编码方法。
具体的，所述步骤(2)中，基站在每个用户所确定的波束簇上发送下行用户专用导频，所述专用导频序列长度仅为相应用户波束簇的大小N_b，以克服FDD传输模式下大规模MIMO系统的下行链路导频设计难题，用户根据接收到的低维导频序列，以估计出下行链路的低维等效波束域信道；若下行链路用户i接收到的导频序列为：
yi=h~i(e)pi+ni=hi·U·Bi·pi+ni]]>
其中，为基站发送给用户i的专用导频序列，n_i为加性高斯白噪声，以h代表1×N_t维物理信道，代表1×N_b维等效波束域信道，这里，N_t为基站天线数，N_b为每个用户所选波束的数量，为波束变换矩阵，为波束选择矩阵；对该用户的接收信道进行最小二乘(LS)信道估计即可得到等效波束域信道为：
h~^i(e)=yi·pi-1.]]>
有益效果：本发明提供的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法，相对于现有技术，具有如下优势：
1、本方法利用了毫米波大规模MIMO系统的波束域信道稀疏性，仅根据极少量的波束信息即可得到较为完整的信道信息，有效降低了计算复杂度，并解决了FDD系统下行链路导频设计与上行链路信道信息反馈的难题；
2、本方法结合了空分多址与干扰抑制这两种已有的多用户传输方案设计思想，对用户按有无干扰进行分类，对无干扰用户根据长时波束信息直接选择合适波束簇进行数据传输，降低处理的复杂度，同时保证有干扰的用户也能够在同一时频资源上接受基站调度，并且对干扰用户集合的继续划分也使干扰抑制部分计算复杂度降低，这两种思想各取所长，缺陷得到互补；
3、本方法根据用户类型的不同，反馈量的计算方法与预编码矢量的设计思路也完全不同，无干扰用户集合只需反馈PMI值，干扰用户集合只需反馈低维的等效波束域信道估计，整个过程的反馈量相对较低，且用户端无需保存码本，实现复杂度也大为降低；
4、本方法通过在基站端架设均匀平板天线阵列，使发射波束的水平方位角与垂直下倾角得以自由调整，充分利用空间的水平与垂直维度，有利于提高系统频谱利用率和吞吐量性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法的应用场景图；
图2为本发明实施例提供的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法的用户分类方法图；
图3为本发明实施例提供的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法的波束簇位置关系图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，在毫米波大规模MIMO系统中的单个小区中，基站位于小区中心并架设均匀平板天线阵列，K个单天线用户均匀随机分布在小区内。
FDD传输模式下，所有用户在同一时频资源上接受基站服务，根据每个用户各自选 择的波束簇信息，基站用户全集U＝{1,2,...,K}划分为无干扰用户集合U₀与干扰用户集合U_Inter＝U-U₀两个子集，对无干扰用户集合采用基于双层预编码的空分多址传输方法，对干扰用户集合采用基于干扰抑制的传输方法，包括如下步骤：
步骤一、基站根据上行信道信道探测过程得到每个用户的波束域统计信道信息，进而确定信道主瓣所占据的波束簇，并根据该波束簇信息对用户进行分类，形成无干扰用户集合U₀与干扰用户集合U_Inter，并对U_Inter继续再分，形成若干最大干扰用户组{UM(s)}s=1,...,S;]]>
步骤二、基站在每个用户所确定的波束簇上发送下行用户专用导频，用户根据接收到的导频信息完成波束域信道估计，无干扰用户集合中的用户还需根据该信道估计结果计算出第二层预编码矢量的编号PMI；
步骤三、无干扰用户集合中的用户将各自所对应的第二层预编码矢量编号PMI反馈回基站，干扰用户集合中的用户将估计出的等效波束域信道矢量完全反馈至基站。
步骤四、基站根据接收到的反馈信息对两个子集中的用户分别设计预编码矩阵，然后进行数据传输。对无干扰用户集合中的用户，预编码矢量为：
wSDMA=W1w2=UB·w2(PMI)]]>
而对干扰用户集合中的任一最大干扰用户组，在下面的实施例中，组内预编码矩阵为：
WM,ZF=H^MH(H^MH^MH)-1]]>
其中，W_M,ZF中各列分别代表最大干扰用户组U_M中对应用户所使用的预编码矢量，H^M=[h^uM,1T,h^uM,2T,...,h^uM,KsT]T,]]>这里h^uM,i=yp,uM,ipuM,i-1=h~^uM,i(e)·BuM,iTUH.]]>在该实施例中，对总发送功率P进行均等分配，因此基站针对全体用户所设计的完整预编码矩阵为：
W_K＝[w₁,w₂,...,w_K]β,
β=diag(P1,P2,..,PK),]]>
Pi=PK·||wi||2.]]>
其中，w_i为用户i根据空分多址或干扰抑制方案所设计的预编码矢量，||·||代表求矢量的模值。
具体的，将用户全集划分成无干扰用户集合与干扰用户集合的依据是波束域统计信道信息，即用户所选波束簇的信息；基站通过上行链路信道探测过程估计出上行链路信道矢量，并将该矢量以相位调整的方式完成从上行信道信息到下行信道信息的过渡，根据过渡得到的下行波束域统计信道信息找出每个用户信道能量集中的若干波束，之后根据用户所选波束簇之间的关系对用户进行分类，对不同类别的用户将采取不同的多用户传输手段。
用户被归入无干扰用户集合的条件为：其选择的波束簇与其他任何用户所选择的波束簇的交集均为空；若用户i所选波束簇的编号集合为则对无干扰用户集合U0={u0,1,u0,2,...,u0,K0}]]>中的任一用户u_0,k，均满足：
i＝1，...，K and i≠u_0，k
用户被归入干扰用户集合的条件为：其选择的波束簇与某一用户所选择的波束簇的交集非空，也即无干扰用户集合相对于用户全集的补集；若用户全集定义为U＝{1,2,...,K}，则干扰用户集合定义为U_Inter＝U-U₀。
对无干扰用户集合采用基于双层预编码的空分多址传输方法，这里所说空分多址是指无干扰用户集合中的每个用户均在其所选波束簇上直接进行数据传输，无需再对用户进行调度；由于该集合中用户的波束域信道之间相互正交，则可用波束之间的正交性来代表空间的正交性，使不同用户占用互不相交波束簇进行数据传输，相当于将多用户传输过程划分成了多个并行的单用户传输过程。
对无干扰用户集合采用基于双层预编码的空分多址传输方法，这里所说的双层预编码可以写成w_SDMA＝W₁w₂的形式，即完整的预编码矢量w_SDMA是由一个预编码矩阵W₁和一个预编码矢量w₂相乘得到，第一层预编码W₁用于将发射信号对准步骤一中所选择的信道能量集中分布的波束簇方向上，第二层预编码w₂用于多波束的凝聚，使能量集中在最强波束上，也可认为是针对低维等效波束域信道的预编码，并需要对其建立码本；若h代表1×N_t维物理信道，代表1×N_b维等效波束域信道，这里，N_t为基站天线数，N_b为每个用户所选波束的数量，为波束变换矩阵，B为波束选择 矩阵，则U·B即为第一层预编码矩阵W₁，又可根据元素之间的相位特性建立w₂码本，使之起到相位补偿的作用，该码本中任一码字可表示为：
w2(k)=[1,ejφk,1,ejφk,2,...,ejφk,Nb-1]H,k=1,2,...,2Nb-1]]>
这里，φ_k,i,i＝1,...,N_b-1为中第i+1号元素与第1号元素的相位差，由于该相位差可根据波束编号对应关系进行预测，则w₂共有种取值集合，即码本中码字总数为k为码字对应编号。
对干扰用户集合采用基于干扰抑制的传输方法，这里对干扰用户集合继续划分，得到若干个最大干扰用户组；若对于干扰用户组组内任意一对成员之间的关系满足(u_M,i,u_M,j)或〈u_M,i,u_M,j〉，则称U_M为一个最大干扰用户组，其中，(u_M,i,u_M,j)表示用户u_M,i与u_M,j所选波束簇存在交集，称为直接关联；〈u_M,i,u_M,j〉表示当(u_M,i,u_M,k)与(u_M,k,u_M,j)同时存在时，u_M,i与u_M,j通过中间用户u_M,k间接关联，间接关系可为多级。
对干扰用户集合采用基于干扰抑制的传输方法，这里的干扰抑制是指对每个最大干扰用户组分别进行组内干扰抑制，而组与组之间由于互不交叠，因此无需再进行组间干扰抑制，干扰抑制的一个实施例为迫零预编码方法。
步骤二中，基站在每个用户所确定的波束簇上发送下行用户专用导频，该导频序列长度仅为波束簇的大小N_b，从而克服了FDD传输模式下大规模MIMO系统的下行链路导频设计难题，用户根据接收到的低维导频序列，可以估计出下行链路的低维等效波束域信道；若下行链路用户i接收到的导频信号为：
yi=h~i(e)pi+ni=hi·U·Bi·pi+ni]]>
其中，为基站发送给用户i的专用导频序列，n_i为加性高斯白噪声，对该接收信号进行LS信道估计即可得到等效波束域信道：
h~^i(e)=yi·pi-1]]>
步骤二中，无干扰用户集合中的用户需要根据该信道估计结果计算出第二层预编码 矢量的编号PMI，该PMI用于w₂码字选择；本发明只需基站端针对每个用户所选波束簇信息来建立一份w₂码本，而用户端无需建立码本，仅需要将号元素与1号元素之间相位差的正负值用0/1序列表示并折合为十进制数字，该十进制数字即为所求PMI。
步骤四中，基站根据无干扰用户集合反馈回的PMI进行w₂码字选择，根据干扰用户集合中的用户反馈回的等效波束域信道矢量估计值分别计算每个最大干扰用户组的干扰抑制预编码矩阵，一种具体实施方式为采用的是迫零预编码方法，最后进行数据传输。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面举实施例并参照附图对基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法进行详细的描述。
一、用户全集的划分
基站通过上行链路信道探测过程找出每个用户信道能量集中的若干波束，然后根据用户所选波束簇之间有无交集将用户全集划分成无干扰用户集合与干扰用户集合，若某一用户所选波束簇与其他任何用户所选波束簇的交集均为空，则该用户被纳入无干扰用户集合，反之则被纳入干扰用户集合，具体为，假设用户全集定义为U＝{1,2,...,K}，用户i所选波束簇的编号集合为则对无干扰用户集合U0={u0,1,u0,2,...,u0,K0}]]>中的任一用户u_0,k，均满足：
i＝1,...,K and i≠u_0,k
相应的，干扰用户集合定义为U_Inter＝U-U₀，如图2所示。
二、基于双层预编码的空分多址传输部分
(1)第一层预编码设计
图3所示步骤一中，基站根据上行信道信道探测过程得到每个用户的波束域统计信道信息，进而确定信道主瓣所占据的波束簇，将用户i所选波束簇的编号集合记为接下来在图3所示步骤四中，利用等效波束域信道进行数据传输时，基站仅在该用户所选择的这N_b个波束上发送信号，那么单用户传输模式下用户i的 下行链路第一层预编码矩阵可表示为：
W_i,1＝U·B_i
这里，为波束域变换矩阵，可表示为：
U=[bH(Ω1),bH(Ω2),...,bH(ΩNt)]]]>
b(Ωl)=b(v)(mNt(v))⊗b(v)(nNt(h))]]>
b(v)(nNt(v))=1Nt(v)[1,e-j2πmNt(v),...,e-j2π(Nt(v)-1)mNt(v)]]]>
b(h)(nNt(h))=1Nt(h)[1,e-j2πnNt(h),...,e-j2π(Nt(h)-1)nNt(h)]]]>
l=mNt(h)+n,m=0,...,Nt(v)-1,n=0,...,Nt(h)-1]]>
其中，与分别代表均匀平板天线阵列每行与每列的阵元数，为波束选择矩阵，可表示为：
Bi=[eNt(i1),eNt(i2),...,eNt(iNb)]]]>

(2)第二层预编码设计
毫米波信道的LOS特性导致其等效波束域信道相邻元素的相位差取值可预测，具体而言，若用户i所选波束簇编号集合中i₁与i₂所代表波束同行相邻，则中前两位元素的相位差为或若i₁与i₃所代表波束同列相邻，则中第一与第三位元素的相位差为或由此可根据建立用户i专属w₂码本，使之起到相位补偿的作用，该码本中任一码字可表示为：
wi,2(k)=[1,ejφk,1,ejφk,2,...,ejφk,Nb-1]H,k=1,2,...,2Nb-1]]>
其中，φ_k,j+1为中第j位元素与首元的相位差。由于用户i无法知道index_i，因此该码本仅在基站端建立。在本例中，当N_b取值为4时，图4里用中间黑色方框代表波束i₁，则波束主要集中在图中的12个阴影方框位置，具体排序情况不定，对应的相位差集合也不相同，这里对i_j,j＝2,...,N_b做如下计算：
ij-i1=mjNt(h)+nj]]>
-2≤m_j≤2
-2≤n_j≤2
则码字中：
φk,j+1∈{-(mjNt(v)+njNt(h))π,sign·π-(mjNt(v)+njNt(h))π}]]>
这里，若则sign＝1，φ_k,j+1取值集合首元为负，用0记之，次元为正，用1记之；反之，sign＝-1，φ_k,j+1取值集合首元为正，用1记之，次元为负，用0记之。
(3)反馈量PMI的计算方法、
图3所示步骤二中，用户i利用低维波束域导频信号估计出后，将之做如下变换：
h~^i(eq)=h~^i(e)./h~^i,1(e)=[1,ejθ1,...,ejθNb-1]]]>
其中，为首元，已知当波束位置关系确定后，θ_j∈(-π,π]总共只有2种取值，且正负刚好相反，则对其做如下变换：
θj&Element;(-π,π]&RightArrow;>0&RightArrow;1<0&RightArrow;0]]>
也即原本的相位值由符号0/1简化表示，而变成N_b-1位0/1序列。将该0/1序列转化为十进制数，如000、001、010、111分别转化成0、1、2、7，将其作为PMI反馈至基站。图3所示步骤四中基站端接收到反馈来的十进制1bit的PMI后，将之逆变换为原始二进制0/1序列，并逐一还原对应的φ_j+1，即可得到最终的w_i,2。
三、基于干扰抑制的传输部分
(1)最大干扰用户组的定义
若对于干扰用户组组内任意一对成员之间的关系满足(u_M,i,u_M,j)或〈u_M,i,u_M,j〉，则称U_m为一个最大干扰用户组，其中，(u_M,i,u_M,j)表示用户u_M,i与u_M,j所选波束簇存在交集，称为直接关联；〈u_M,i,u_M,j〉表示当(u_M,i,u_M,k)与(u_M,k,u_M,j)同在时，u_M,i与u_M,j通过中间用户u_M,k间接关联，间接关系可为多级。
(2)组内干扰抑制方法
对最大干扰用户组基站将接收到的每个用户所反馈的等效波束域信道矢量估计值还原成物理信道：
h^uM,i(s)=h~^uM,i(s)(e)&CenterDot;BuM,i(s)TUH]]>
接下来将这K_s个用户的物理信道矢量叠成矩阵
H^M(s)=[h^uM,1(s)T,h^uM,2(s)T,...,h^uM,Ks(s)T]T]]>
本例中，组内迫零预编码矩阵计算方法如下：
WM,ZF(s)=H^M(s)H(H^M(s)H^M(s)H)-1.]]>
其中，中各列分别为中对应用户所使用的预编码矢量。
四、功率分配
在基于空分多址与干扰抑制的毫米波大规模MIMO系统多用户传输方法中，可以根据系统需要进一步设计功率分配方案，本发明的一个实施例采用等功率分配方案对总发送功率P进行均等分配，则基站针对全体用户所设计的完整预编码矩阵为：
W_K＝[w₁,w₂,...,w_K]β,
β=diag(P1,P2,..,PK),]]>
Pi=PK&CenterDot;||wi||2.]]>
其中，w_i为用户i根据空分多址或干扰抑制方案所设计的预编码矢量，||·||代表求矢量的 模值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。