專(zhuān)利名稱(chēng)：多小區(qū)協(xié)作的分布式魯棒波束成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及協(xié)作多點(diǎn)處理領(lǐng)域，尤其是涉及波束成形，具體地，涉及一種多小區(qū)協(xié)作的分布式魯棒波束成形方法。
背景技術(shù)：
CoMP (協(xié)作多點(diǎn)處理)技術(shù)基于各基站對(duì)信道狀態(tài)信息(CSI)和數(shù)據(jù)信息不同程度的共享，通過(guò)小區(qū)間基站的協(xié)作將原本是相鄰小區(qū)的干擾轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏眯畔?。其傳輸模式有兩種:1、聯(lián)合處理(Joint Processing) ;2、協(xié)作調(diào)度/波束成形(CoordinatedScheduling/Beamforming)。波束成形(BF)是指多個(gè)小區(qū)之間通過(guò)共享信息并聯(lián)合設(shè)計(jì)預(yù)編碼矢量，從而緩解小區(qū)邊緣用戶(hù)受到的干擾，達(dá)到提升信干噪比(SINR)的效果。根據(jù)共享信息的種類(lèi)，可將BF的實(shí)現(xiàn)方式分為兩類(lèi)(I)中心式實(shí)現(xiàn)基站之間需要即時(shí)交換所有不同小區(qū)用戶(hù)的數(shù)據(jù)信息和信道信息，除此之外，協(xié)作基站發(fā)射時(shí)還需要嚴(yán)格同步，因此需要一個(gè)中心控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度和計(jì)算預(yù)編碼權(quán)重以避免載波相位偏移，盡管這樣的設(shè)計(jì)可以獲得較好的系統(tǒng)性能，但是需要一個(gè)大容量、低延遲的回程鏈路，而這在實(shí)際中基本上是很難實(shí)現(xiàn)的。這也是為什么CoMP遲遲未能商用的主要原因。(2)分布式實(shí)現(xiàn)基站之間不需要交換數(shù)據(jù)信息，而只需要交換CSI，大大降低了信令開(kāi)銷(xiāo)。每個(gè)基站只單獨(dú)服務(wù)自己小區(qū)內(nèi)的用戶(hù)，因此基站之間并不需要嚴(yán)格的符號(hào)同步。比如參考文獻(xiàn)“Distributed Multicell Beamforming With Limited Intercell Coordination”(Y. Huang, G. Zheng, et al. IEEE Transactions on SignalProcessing, vol. 59, no. 2, pp. 728-738, Feb. 2011)考慮了滿(mǎn)足總功率約束的最大最小SINR問(wèn)題，得到了適用于時(shí)分復(fù)用(TDD)系統(tǒng)的分布式BF和功率分配算法。通過(guò)將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為上行對(duì)偶問(wèn)題，文中提出了一 個(gè)兩層迭代算法外層迭代采用二分法找到一個(gè)最大的虛擬SINR目標(biāo)，內(nèi)層迭代采用固定點(diǎn)迭代算法求出BF和功率分配，從而判斷該虛擬SINR值是否可行。但是上述算法并沒(méi)有考慮到CSI的反饋誤差，在實(shí)際系統(tǒng)中，即使通過(guò)復(fù)雜的訓(xùn)練序列也無(wú)法得到精確的CSI。而使用理想CSI進(jìn)行BF設(shè)計(jì)對(duì)于信道誤差非常敏感，可能會(huì)造成非常嚴(yán)重的性能損失，甚至使用戶(hù)陷入中斷。因此，為了保證用戶(hù)的QoS，考慮CSI誤差的魯棒BF波束成形設(shè)計(jì)是非常重要的。其中文獻(xiàn)“Robust Linear Precoder Design forMulti-Cell Downlink Transmission，，(A. Tajer, N. Prasad, X. Wang, IEEE Transactions onSignal Processing, vol. 59, no. I, pp. 235-251，Jan. 2011)米用了有界誤差模型，將每個(gè)基站功率約束的最差情況(worst-case)加權(quán)總速率最大化問(wèn)題和最差情況SINR最小化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為半正定規(guī)劃(SDP)進(jìn)行求解。綜上所述，一個(gè)能直接應(yīng)用于現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)架構(gòu)的BF設(shè)計(jì)必須是分布式的，同時(shí)還需考慮CSI的反饋誤差，因此必須是魯棒的。因此有必要開(kāi)發(fā)一種多小區(qū)協(xié)作的分布式魯棒波束成形方法
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決滿(mǎn)足所有用戶(hù)Q0S約束的基站總發(fā)射功率最小化問(wèn)題，采用的信道誤差模型為有界誤差模型，即誤差向量位于一個(gè)有界超球體內(nèi)。通過(guò)與文獻(xiàn)“Worst-Case SINR Constrained Robust Coordinated Beamforming for MulticellWireless Systems,，，(C. Shenj K. -Y. Wang, T. -H. Chang, Z. Qiu and C. -Y. Chij in Proc. IEEEInt. Conf· Commun.，Kyoto, Japan, Jun. 5-9，2011，pp. 1-5.)中的中心式魯棒算法相比較，本發(fā)明所提出的分布式方法可以在幾十次迭代后即達(dá)到相近的性能。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種多小區(qū)協(xié)作的分布式魯棒波束成形方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一初始化小區(qū)間干擾項(xiàng)P^k(O)并設(shè)迭代次數(shù)n=0 ;將中心式問(wèn)題分解為多個(gè)子問(wèn)題和一個(gè)主問(wèn)題；其中，β ^k(O)可取任意值，但為了加快收斂速度可選擇與實(shí)際情況較為符合的值；步驟二 每個(gè)基站各自求解相應(yīng)的子問(wèn)題得到波束成形向量Wiik和相應(yīng)的發(fā)射功率Pi ；步驟三每個(gè)基站求解子問(wèn)題的拉格朗日對(duì)偶問(wèn)題得到拉格朗日乘子t^k，然后通過(guò)回程鏈路或廣播與其他基站交換此拉格朗日乘子信息；步驟四每個(gè)基站接收到其他基站的拉格朗日乘子信息后，再根據(jù)次梯度法更新局部干擾項(xiàng)Pi;j,k(n)求解主問(wèn)題；步驟五設(shè)參數(shù)n:=n+l并回到所述步驟二，直至收斂到期望水平。本發(fā)明采用了最優(yōu)化理論中的Primal Decomposition方法,在保證所有用戶(hù)QoS 的約束條件下將原本中心式的基站總功率最小化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為分布式問(wèn)題進(jìn)行求解，即一個(gè)主問(wèn)題和多個(gè)子問(wèn)題的形式。每個(gè)基站各自解決相應(yīng)的子問(wèn)題，然后將得到的部分結(jié)果通過(guò)回程鏈路交換后共同協(xié)作求解主問(wèn)題。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明可以直接應(yīng)用于現(xiàn)有蜂窩架構(gòu)，基站之間所需交換的信息量較少，并且不易受信道估計(jì)誤差影響，魯棒性好。尤其是如下兩
占-
^ \\\ ·考慮到實(shí)際通信系統(tǒng)中信道估計(jì)的非理想，采用信道有界模型進(jìn)行了魯棒設(shè)計(jì)。通過(guò)秩松弛和復(fù)數(shù)域的S-procedure技術(shù),將原本無(wú)限個(gè)SINR約束和干擾約束轉(zhuǎn)化為有限的線(xiàn)性矩陣不等式形式，從而進(jìn)一步將子問(wèn)題轉(zhuǎn)化為半正定規(guī)劃問(wèn)題，該問(wèn)題可以通過(guò)現(xiàn)有的最優(yōu)化軟件包迅速求解；每個(gè)基站通過(guò)求解子問(wèn)題的拉格朗日對(duì)偶問(wèn)題，將得到的拉格朗日乘子通過(guò)回程鏈路與其他協(xié)作基站進(jìn)行交換。每個(gè)基站再根據(jù)得到的乘子信息得到主問(wèn)題在干擾項(xiàng)處的次梯度，從而可以采用次梯度算法快速求解主問(wèn)題。


圖I為本發(fā)明的系統(tǒng)模型舉例，共有3個(gè)基站進(jìn)行協(xié)作，每個(gè)基站服務(wù)4個(gè)用戶(hù)。圖2為本發(fā)明與中心式算法的性能比較圖，其中ε為信道估計(jì)誤差。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。根據(jù)本發(fā)明提供的多小區(qū)協(xié)作的分布式魯棒波束成形方法，其中多小區(qū)協(xié)作的波束成形是4G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中多點(diǎn)協(xié)作(CoMP)的一種傳輸模式。本方法可以抑制小區(qū)間的同信道干擾，保證小區(qū)邊緣用戶(hù)的QoS，從而提升系統(tǒng)的整體吞吐量。I)需解決的中心式問(wèn)題
權(quán)利要求
1.一種多小區(qū)協(xié)作的分布式魯棒波束成形方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟一初始化小區(qū)間干擾項(xiàng)i3u,k(0)并設(shè)迭代次數(shù)n=0;將中心式問(wèn)題分解為多個(gè)子問(wèn)題和一個(gè)主問(wèn)題； 步驟二 每個(gè)基站各自求解相應(yīng)的子問(wèn)題得到波束成形向量Wiik和相應(yīng)的發(fā)射功率Pi; 步驟三每個(gè)基站求解子問(wèn)題的拉格朗日對(duì)偶問(wèn)題得到拉格朗日乘子k j,,，然后通過(guò)回程鏈路或廣播與其他基站交換此拉格朗日乘子信息； 步驟四每個(gè)基站接收到其他基站的拉格朗日乘子信息后，再根據(jù)次梯度法更新局部干擾項(xiàng)β Jjjjk(Il)求解主問(wèn)題； 步驟五設(shè)參數(shù)η:=η+1并回到所述步驟二，直至收斂到期望水平。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多小區(qū)協(xié)作的分布式魯棒波束成形方法，其特征在于，所述子問(wèn)題表示如下
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多小區(qū)協(xié)作的分布式魯棒波束成形方法，其特征在于，所述主問(wèn)題表示如下
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多小區(qū)協(xié)作的分布式魯棒波束成形方法，其特征在于，所述步驟二包括如下步驟 -通過(guò)復(fù)數(shù)域中的S-procedure將無(wú)窮多個(gè)SINR約束表示為有限個(gè)線(xiàn)性矩陣不等式的形式； -通過(guò)半正定松弛方式進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為半正定規(guī)劃問(wèn)題。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多小區(qū)協(xié)作的分布式魯棒波束成形方法，其特征在于，所述步驟二，具體地為 令Wli =WuWf^則所述子問(wèn)題轉(zhuǎn)化為
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多小區(qū)協(xié)作的分布式魯棒波束成形方法，其特征在于，在所述步驟三中，求解子問(wèn)題的拉格朗日對(duì)偶問(wèn)題具體地為
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多小區(qū)協(xié)作的分布式魯棒波束成形方法，其特征在于，所述步驟四包括如下步驟 -每個(gè)基站將得到的拉格朗日乘子信息通過(guò)回程鏈路進(jìn)行交換，在此基礎(chǔ)上每個(gè)基站求解次梯度
全文摘要
本發(fā)明多小區(qū)協(xié)作的分布式魯棒波束成形方法。通過(guò)對(duì)偶分解理論將中心式問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多個(gè)子問(wèn)題和一個(gè)主問(wèn)題的形式，子問(wèn)題通過(guò)半正定松弛(SDR)和復(fù)數(shù)域的S-procedure技術(shù)轉(zhuǎn)化為半正定規(guī)劃(SDP)問(wèn)題求解。主問(wèn)題采用了次梯度算法求解，每個(gè)基站通過(guò)求解各自子問(wèn)題的拉格朗日對(duì)偶問(wèn)題得到拉格朗日乘子后通過(guò)回程鏈路進(jìn)行交換，接著基站再根據(jù)得到的其他基站的乘子信息計(jì)算出主問(wèn)題在小區(qū)間干擾項(xiàng)處的次梯度，從而可以通過(guò)次梯度算法對(duì)主問(wèn)題進(jìn)行快速求解。通過(guò)實(shí)際的蜂窩系統(tǒng)仿真顯示該分布式算法通過(guò)少量迭代后就可以達(dá)到接近中心式算法的性能，當(dāng)信道誤差較小時(shí)算法收斂速度較快。
文檔編號(hào)H04B7/06GK102724683SQ20121018973
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月11日
發(fā)明者丁慧, 何晨, 蔣鈴鴿 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)