專利名稱：一種基于剪枝搜索的兩天線多播波束賦形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多輸入多輸出(MIMO)寬帶無線和移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及單用戶組兩發(fā)送天線多播場(chǎng)景下的波束賦形方法，適用于諸如802. Iln, TD-HSPA+, TD-LTE及 TD-LTE-Advanced等新一代寬帶無線和移動(dòng)通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)基站端發(fā)送公共信息給一組用戶時(shí)，多播比單播技術(shù)能更有效地利用無線頻譜資源，因此引起了業(yè)界廣泛關(guān)注。假設(shè)基站已知所有用戶的信道信息，MIMO多播技術(shù)的目標(biāo)在于尋找有效的策略以保證多播用戶的服務(wù)質(zhì)量，其中的一個(gè)關(guān)鍵問題是在發(fā)送信號(hào)功率受限的情況下，如何在基站端采用發(fā)送波束賦形方法以獲得最大多播傳輸速率?！秶?guó)際電氣與電子工程師協(xié)會(huì)-信號(hào)處理匯刊》(IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 54, no. 6，pp. 2239-2251，June 2006)刊載的“物理層多播波束賦形” (Transmit beamforming for physical-layer multicasting) 一文中，證明了當(dāng)用戶數(shù)目大于發(fā)送天線數(shù)目時(shí)，此問題一般來說屬于非確定性多項(xiàng)式難題(NP-hard)，并提出了一種基于半定松弛法(SDR) 的次優(yōu)求解方法，其主要思想是松弛原優(yōu)化問題的非凸約束條件，將原優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換成一個(gè)凸優(yōu)化問題，從而可采用凸優(yōu)化分析工具進(jìn)行求解。然而，經(jīng)過松弛后得到的凸優(yōu)化問題與原問題并非完全等效，其有效解構(gòu)成原問題的性能上界，并且一般不可及，因此還需要結(jié)合隨機(jī)化處理(Randomization)來真正獲得波束賦形向量。由理論分析可知，現(xiàn)有的SDR結(jié)合隨機(jī)化處理方法(以下簡(jiǎn)稱為SDR隨機(jī)化方法) 存在如下缺陷首先SDR自身基于凸優(yōu)化的內(nèi)點(diǎn)法，隨著用戶數(shù)目的增加，其運(yùn)算復(fù)雜度將顯著增大，一般難以在實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)；而且隨著用戶數(shù)目的增加，SDR隨機(jī)化方法搜索空間逐步變得復(fù)雜，從而導(dǎo)致其性能損失也逐漸增加。綜合而言，SDR隨機(jī)化方法難以有效應(yīng)用于新型寬帶無線和移動(dòng)通信系統(tǒng)中，迫切需要設(shè)計(jì)具有高性能低復(fù)雜度特征的多播波束賦形方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于剪枝搜索的多播波束賦形方法，以適用于兩發(fā)送天線多播場(chǎng)景，并改善現(xiàn)有SDR隨機(jī)化方法在獲取波束賦形向量過程中所存在的運(yùn)算量較大、性能較差，無法有效應(yīng)用于實(shí)際通信系統(tǒng)的問題。本發(fā)明基于剪枝搜索的兩天線多播波束賦形方法，設(shè)基站配置2根發(fā)送天線，多播用戶組含K個(gè)用戶，且用戶k配置Nk根接收天線，對(duì)應(yīng)的信道矩陣巧e ￡ a^x2并在基站端已知，波束賦形向量w e ￡2 ；其特征在于將原最大化多播傳輸速率問題的求解轉(zhuǎn)化為對(duì)多播用戶組中性能瓶頸用戶的搜索與計(jì)算，并在搜索過程中通過持續(xù)壓縮最優(yōu)解區(qū)間以輔助排除非瓶頸用戶；具體操作步驟為第一步參數(shù)初始化，依次包含以下步驟(11)令多播用戶集合為S = {1,2, L，K}，初始化最優(yōu)解區(qū)間，令其上界為皿=-∞，下界為 LB = + ∞； (1.2)依次從多播用戶集合S中選擇用戶k= 1，...，K，令其信道自相關(guān)矩陣為
權(quán)利要求
1. 一種基于剪枝搜索的兩天線多播波束賦形方法，設(shè)基站配置2根發(fā)送天線，多播用戶組含K個(gè)用戶，且用戶k配置Nk根接收天線，對(duì)應(yīng)的信道矩陣HkGi a^x2并在基站端已知，波束賦形向量w e ￡2 ；其特征在于將原最大化多播傳輸速率問題的求解轉(zhuǎn)化為對(duì)多播用戶組中性能瓶頸用戶的搜索與計(jì)算，并在搜索過程中通過持續(xù)壓縮最優(yōu)解區(qū)間以輔助排除非瓶頸用戶；具體操作步驟為第一步參數(shù)初始化，依次包含以下步驟(11)令多播用戶集合為S = {1，2，L，K}，初始化最優(yōu)解區(qū)間，令其上界為UB =-⑴，下界為 LB = + ；(1.2)依次從多播用戶集合S中選擇用戶k= 1，...，K，令其信道自相關(guān)矩陣為 ak ck cI hKHk =，依橢圓空間向量計(jì)算式^c =Re(cJ -Im(cJ計(jì)算與該用戶對(duì)應(yīng)的橢圓空間向量gk，其中(·)*，(· )τ分別表示共軛轉(zhuǎn)置和轉(zhuǎn)置操作，Re( · )，Im( ·)分別表示取實(shí)部和取虛部操作；(1. 3)依次從多播用戶集合S中選擇用戶k = 1，. . .，K，依信道范數(shù)計(jì)算式h,=計(jì)算與該用戶對(duì)應(yīng)的信道范數(shù)hk，其中11 · ι |F表示弗羅貝尼烏斯范數(shù)； 第二步單瓶頸用戶搜索與計(jì)算，依次包含以下步驟(2.1)依單瓶頸用戶選擇式i= arg思運(yùn)久+|私|計(jì)算并從多播用戶集合S中選擇出候選用戶i ；(2.2)計(jì)算候選用戶i對(duì)應(yīng)的候選向量x= _ ’并依單用戶信噪比計(jì)算式λ =Vl IgiI I計(jì)算該用戶瓶頸信噪比λ ；(2.3)依最差用戶信噪比計(jì)算式^^-Z-mii^.f+fx計(jì)算多播用戶組中的最小信噪比snr_ ；(2.4)判斷信噪比關(guān)系式λ( snr_是否成立，若該式成立，則輸出最優(yōu)候選向量x。pt =x及最優(yōu)瓶頸信噪比λ。pt= λ，并轉(zhuǎn)至第五步；若該式不成立，則分別更新最優(yōu)解區(qū)間的上界UB = λ和下界LB = snr_，轉(zhuǎn)至第三步；第三步兩瓶頸用戶搜索與計(jì)算，依次包含以下步驟(3. 1)依次從多播用戶集合S中選取兩瓶頸候選用戶組合(i，j)，i興j，針對(duì)該用戶組合構(gòu)造兩用戶橢圓空間矩陣Gij= [gigj]以及兩用戶信道范數(shù)向量Iiij= [h.hj]1；(3.2)依兩用戶二階多項(xiàng)式系數(shù)計(jì)算式Q = F^GyT1j 計(jì)算二階多項(xiàng)式系數(shù)a，依兩用戶一階多項(xiàng)式系數(shù)計(jì)算式& = f (^GyT1 計(jì)算一階多項(xiàng)式系數(shù)b，依兩用戶常系數(shù)計(jì)算式C = A/(G^Gy.Γ1 -1計(jì)算常系數(shù)c，其中(·)<表示矩陣求逆操作，1表示元素全為1 的列向量；(3. 3)判斷多項(xiàng)式系數(shù)關(guān)系式b2-ac < 0是否成立，若該式成立，則轉(zhuǎn)至步驟(3. 9)；(3.4)依兩用戶信噪比計(jì)算式A = b + ^lb2-ac計(jì)算該用戶組合的瓶頸信噪比λ，并根a據(jù)兩用戶向量加權(quán)系數(shù)計(jì)算式㈣Af =(《&)—1Gi- )計(jì)算與兩用戶橢圓空間向量gi，& 分別對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)α，β ；(3.5)判斷兩用戶綜合邏輯關(guān)系式雙f/S]是否成立，若該式成立，則轉(zhuǎn)至步驟(3. 9)；(3.6)按照兩用戶候選向量計(jì)算式
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于剪枝搜索的兩天線多播波束賦形方法，特征是將兩發(fā)送天線情形下的最大化多播傳輸速率問題的求解轉(zhuǎn)化為針對(duì)單瓶頸用戶、兩瓶頸用戶和三瓶頸用戶三種假設(shè)情形的搜索，并采用線性代數(shù)方法直接進(jìn)行閉式計(jì)算，同時(shí)在搜索過程中通過持續(xù)壓縮最優(yōu)解區(qū)間以輔助排除非瓶頸用戶，實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度剪枝搜索。與現(xiàn)有的SDR隨機(jī)化方法相比，本發(fā)明方法不僅可以獲得更高的多播傳輸速率，同時(shí)還具有更低的運(yùn)算復(fù)雜度，適合用戶數(shù)較多的多播場(chǎng)景，便于在諸如802.11n、TD-HSPA+、TD-LTE及TD-LTE-Advanced等新一代寬帶無線和移動(dòng)通信系統(tǒng)中實(shí)施。
文檔編號(hào)H04B7/06GK102347789SQ20111031379
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月17日
發(fā)明者古強(qiáng), 杜柏生, 蔣軼, 許小東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)