一種基于QoS的多小區(qū)下行MIMO魯棒波束成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多入多出（Multiple Input Multiple Output, MIM0)通信系統(tǒng)，特別 涉及基于QoS的多小區(qū)下行MIM0魯棒波束成形。
【背景技術(shù)】
[0002] 下一代蜂窩無線通信MM0系統(tǒng)中，基站（Base Station, BS)間趨向于采用全頻率 復(fù)用方式組網(wǎng)，用戶受到嚴重的小區(qū)間干擾。多小區(qū)協(xié)作下行MIM0波束成形技術(shù)可以有效 消除小區(qū)間干擾，極大的提升信道容量。但是在設(shè)計多小區(qū)下行MIM0波束成形時，待優(yōu)化 的波束成形變量之間相互耦合，求解復(fù)雜度極高，這給求解帶來了極大的困難。而上下行鏈 路對偶性被認為是解決多小區(qū)協(xié)作波束成形算法的主要工具，其能夠把復(fù)雜的多小區(qū)下行 鏈路發(fā)射波束成形問題轉(zhuǎn)換到較簡單的上行鏈路接收問題，從而消除多小區(qū)下行MM0波 束成形變量之間的耦合性，極大降低復(fù)雜度。
[0003] 魯棒性的多小區(qū)下行MM0波束成形設(shè)計標準中，保證用戶QoS需求是其中非常重 要的一種標準。傳統(tǒng)的基于用戶服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service, QoS)下多小區(qū)下行MIM0 波束成形設(shè)計標準為：Q〇S約束下最小化總發(fā)送功率。該設(shè)計能夠有效地保證滿足用戶的 QoS需求，但是其只考慮最小化發(fā)射功率，這會導(dǎo)致某些信道環(huán)境較差的小區(qū)為了達到QoS 條件，極大增加該小區(qū)發(fā)射信號功率，從而使得其他協(xié)作小區(qū)受到的小區(qū)間干擾加大，而影 響整個多小區(qū)協(xié)作MM0系統(tǒng)的性能。
[0004] 為了解決這個問題，將小區(qū)間信號泄露功率引入優(yōu)化函數(shù)中，優(yōu)化問題目標函數(shù) 為發(fā)射功率以及小區(qū)間信號泄露功率之和，約束條件為用戶的QoS約束。此設(shè)計將總發(fā)射 功率作為效應(yīng)函數(shù)，小區(qū)間泄露功率作為懲罰函數(shù)，優(yōu)化目標函數(shù)為效應(yīng)函數(shù)和懲罰函數(shù) 之和，其能夠獲得總發(fā)射功率以及小區(qū)間泄露功率之間的某種平衡，從而最大限度地優(yōu)化 系統(tǒng)性能。已經(jīng)有研宄者針對這種改進設(shè)計下的多小區(qū)下行MM0波束成形，根據(jù)上下行鏈 路對偶性提出一種基于標準功率分配算法，但是其只適用于理想CSI的信道環(huán)境中。另外 在非理想CSI環(huán)境中，研宄者提出利用半定規(guī)劃（Semi Definite Programming, SDP)以及 二階錐規(guī)劃（Second-Order Cone Programming, S0CP)工具包求解這種改進設(shè)計下的多小 區(qū)下行MM0波束成形，但是直接利用凸優(yōu)化工具包的求解方法，優(yōu)化變量之間相互耦合， 計算復(fù)雜度極高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本方法以給定QoS約束條件下最小 化發(fā)射總功率以及小區(qū)間泄露總功率之和為優(yōu)化目標，并通過上行性鏈路的對偶性，從而 得到一種多小區(qū)MIM0下行魯棒波束成形的迭代求解算法。
[0006] 為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提出一種基于QoS的多小區(qū)下行MM0魯棒波 束成形方法，其特征在于，包括：
[0007] S1，基于QoS的多小區(qū)下行MM0魯棒波束成形的新型設(shè)計；
[0008] S2,基于QoS的多小區(qū)下行MMO魯棒波束成形新型設(shè)計問題的近似估計；
[0009] S3,迭代算法，求解估計后的波束成形新型設(shè)計問題的算法。
[0010] 所述的多小區(qū)基于QoS的多小區(qū)下行MM0魯棒波束成形方法，優(yōu)選的，所述S1中 基于QoS的多小區(qū)下行MIM0魯棒波束成形的新型設(shè)計包括：
[0011] 考慮由C個小區(qū)組成的多小區(qū)協(xié)作下行MM0系統(tǒng)，BS之間共享CSI以協(xié)作進行 波束成形設(shè)計，不共享用戶數(shù)據(jù)信號。假設(shè)BS均配置M根天線，用戶均配置單根天線，每個 BS有K個激活用戶。由BSi到用戶（k，j)的信道矩陣表示為e Cu'信道經(jīng)歷時間和 頻率平穩(wěn)衰弱，信道系數(shù)相互獨立，且為零均值單位方差的復(fù)高斯隨機變量。用戶（k，i)接 收到的信號表示為：
[0012]
【主權(quán)項】
1. 本發(fā)明提出一種基于QoS的多小區(qū)下行MMO魯棒波束成形方法，該方法包括： S1，基于QoS的多小區(qū)下行MMO魯棒波束成形的新型設(shè)計； 52, 基于QoS的多小區(qū)下行MIMO魯棒波束成形新型設(shè)計問題的近似估計； 53, 迭代算法，求解估計后的波束成形新型設(shè)計問題的算法。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的種基于QoS的多小區(qū)下行MIMO魯棒波束成形方法，其特征在 于：所述Sl中，基于QoS的多小區(qū)下行MMO魯棒波束成形的新型設(shè)計為： 考慮由C個小區(qū)組成的多小區(qū)協(xié)作下行MMO系統(tǒng)，BS之間共享CSI以協(xié)作進行波束 成形設(shè)計，不共享用戶數(shù)據(jù)信號；假設(shè)BS均配置M根天線，用戶均配置單根天線，每個BS有 K個激活用戶；由BSi到用戶（k，j)的信道矩陣表示為C1xm，信道經(jīng)歷時間和頻率平 穩(wěn)衰弱，信道系數(shù)相互獨立，且為零均值單位方差的復(fù)高斯隨機變量；用戶（k，i)接收到的 { 言號豐.
其中為BSi為其小區(qū)內(nèi)用戶（l，i)設(shè)置的的發(fā)送波束成形向量；xai)為 BSi對用戶（l，i)發(fā)送的數(shù)據(jù)信號，滿足E(|xai)xai)|) = 1 ;η(Μ)是用戶（k，i)接收到的 噪聲，其為零均值方差為σ 2的復(fù)高斯白噪聲；P (ti)是用戶（k，i)接收到的小區(qū)間干擾信 號，即其它協(xié)作小區(qū)泄露到用戶（k，i)的干擾信號，本文假設(shè)用戶能夠測量此值，并通過上 行鏈路回傳給BS，因此對于BS，小區(qū)間干擾值已知；用戶（k，i)的SINR(用γ (Μ)表示）為：
其中：=E^ 為其它協(xié)作小區(qū)泄露到用戶（k，i)的干擾信號功率； V J 考慮非理想CSI對性能的影響；采用球形信道估計模型，真實信道與估計信道關(guān)系表 示如下： 是進行信道估計以后得到的CSI，hpt是真實CSI，Δ丨是信道估計誤差，假定 |Δ丨，即信道估計不確定性區(qū)域滿足半徑為的球形約束； 在滿足用戶QoS的情況下，將小區(qū)間信號泄露功率引入優(yōu)化函數(shù)中，優(yōu)化問題目標函 數(shù)為發(fā)射功率以及小區(qū)間信號泄露功率和，總發(fā)射功率作為效應(yīng)函數(shù)，小區(qū)間泄露功率作 為懲罰函數(shù)，其能夠獲得總發(fā)射功率以及小區(qū)間泄露功率之間的平衡，從而最大限度地優(yōu) 化系統(tǒng)性能；由于CSI不理想，為了充分保證每個服務(wù)用戶的QoS，本發(fā)明考慮最差情況下 的魯棒波束成形；多小區(qū)下行MIMO波束成形問題描述為：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的種基于QoS的多小區(qū)下行ΜΙΜΟ魯棒波束成形方法，其特征在 于：所述S2中，基于QoS多小區(qū)下行MIMO魯棒波束成形新型設(shè)計問題的近似估計為： 該波速成形問題中，由于考慮最差情況而導(dǎo)致約束項中出現(xiàn)min和目標函數(shù)中出現(xiàn) max，從而加大了問題求解的復(fù)雜性；下面通過引入三角不等式和矩陣的跡相關(guān)知識，近似 該波束成形問題； 信道估計模型代入該波束成形問題的目標函數(shù)中，且利用三角不等式，簡化過程如 下：
同樣，信道估計模型代入該波束成形問題的約束項中，約束項的分母近似為：
約束項的分子近似為：
該波束成形問題化簡為：
為描述簡潔起見，假設(shè)
得到近似問題為：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的種基于QoS的多小區(qū)下行MMO魯棒波束成形法，其特征在 于：所述S3中，迭代算法為： 步驟1、上下行鏈路波束成形問題轉(zhuǎn)換； 下行多小區(qū)MMO協(xié)作發(fā)送波束成形問題與上行對偶鏈路接收波束成形問題等價，上 行問題表示如下：
注：V(lu)表示對偶上行鏈路接收波束成形向量，λ 是拉格朗日乘子，可以理解為上 行鏈路中用戶（k，i)的發(fā)射信號功率； 證明：下行多小區(qū)MMO協(xié)作發(fā)送波束成形問題可以變換為標準SOCP問題，并利用標準 凸優(yōu)化工具包求解，因此對于下行波束成形問題而言，強對偶性成立；強對偶性能夠確保原 問題與其拉格朗日對偶問題具有相同的最優(yōu)值，因此可以利用拉格朗日對偶理論，證明上 述對偶性； 首先對下行問題建立拉格朗日函數(shù)：
其中，λΜ為拉格朗日乘子，其滿足λ 0^)多〇^°^)表示如下：
對偶問題的目標函數(shù)為在無約束條件下拉格朗日函數(shù)的最小值，即=Wi.1? Μ17·#， 求得：
僅當A(k' υ為半正定矩陣時，拉格朗日函數(shù)具有最小值，且最小值為 &<Μ+σ 所以下行問題的拉格朗日對偶優(yōu)化問題為 k J
下面將上式轉(zhuǎn)換為對偶上行鏈路的接收波束成形問題，假設(shè)上行鏈路最優(yōu)的接收波束 成形向量為V*(lu)，根據(jù)半正定矩陣的定義：
將上式做適當變形，寫成分式形式，表示為：
可以得到對偶優(yōu)化問題：
而對于上行波速成形問題，使得上下鏈路SINR最大的ν(Μ)必定是最優(yōu)接收波束成形 向量上行波速成形問題重寫為： /W 一 V/ ?，V，f
上行波速成形問題和下行波速成形問題中只有優(yōu)化函數(shù)中max、min和約束項中<、多 不相同，根據(jù)凸優(yōu)化對偶知識可知，上述兩個問題是等價的，即擁有相同的最優(yōu)值；證明完 畢； 步驟2、求解上行對偶問題； 若上行鏈路接收波束成形向量V(lu)確定，則使得上行鏈路接收波束成形問題獲得最優(yōu) 值的λ (1^必然使得該問題的約束項等式成立，即： Κ,,=τ[κ，) yk,i, 這樣可以獲得CXK個等式組成的線性方程組，通過求解這個線性方程組就能夠得到 A(lu)的解，上式變形如下：
把上述CXK等式組成的線性方程組寫成由C個矩陣等式組成的線性方程組形式： Ε,.λ, =f,. V/， 其中EiG CKXK，λ# CixiSfiG C1XK，定義分別如下：
因此： 1;.=[￡,.]-4 Vr; 接下來來優(yōu)化V[k，i]，若拉格朗日乘子λ 固定，則上行鏈路接收波束成形問題變化 為求解最大的V[ti]從而使得輸出SINR最大，因此： / TT X1
至此，獲得了上行鏈接收路波束成形問題的求解算法； 步驟3、將上行鏈路波束成形解轉(zhuǎn)換到下行鏈路波束成形解； 下行鏈路最優(yōu)發(fā)送波束成形/(k' υ與對偶上行鏈路最優(yōu)接收波束成形V #(ti)滿足如下 關(guān)系： y*(k,i)= μ 4,i)v*(k,i) ^ μ (k,i)> 上式表明，與為線性關(guān)系，若獲得μ (1U)，則即可獲得原下行波束成形問 題的解；下面來求解獲得μ (ti)同理，下行波束成形問題獲得最優(yōu)值時，其約束條件等號成 立，將SINR代入到上式中，并且取等式，得到： / -, -, \
把上述CXK個等式組成的線性方程組寫成由C個矩陣等式組成的線性方程組形式：
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于QoS的多小區(qū)下行MIMO魯棒波束成形方法，該方法以給定QoS約束條件下最小化發(fā)射總功率以及小區(qū)間泄露總功率之和為優(yōu)化目標，同時考慮非理想CSI對系統(tǒng)的影響。為了充分保證用戶QoS需求，該方法考慮最差估計CSI下的波束成形問題，首先近似原波束成形問題，然后利用上下行鏈路對偶性，將下行鏈路發(fā)送波束成形問題轉(zhuǎn)換為上行鏈路接收波束成形問題，通過求解簡單的上行鏈路波束成形問題，得到上行鏈路接收波束成形最優(yōu)解，并將其轉(zhuǎn)換到下行鏈路發(fā)射波束成形最優(yōu)解，從而獲得多小區(qū)下行MIMO波束成形解。
【IPC分類】H04B7-06
【公開號】CN104734766
【申請?zhí)枴緾N201510174723
【發(fā)明人】廖勇, 曹杰, 周昕, 李瑜鋒, 張舒敏
【申請人】重慶大學
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年4月14日