一種分布式多用戶下行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（MIMO, multiple input multiple output)通信系統(tǒng)，特別 涉及多用戶下行MIM0魯棒波束成形優(yōu)化設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] MM0技術(shù)，因其能有效提高頻譜效率與傳輸速率等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信 系統(tǒng)中，如多小區(qū)多用戶蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)等。然而，在MM0下行系統(tǒng)中，多個(gè)用戶與BS 在同一時(shí)頻資源上進(jìn)行通信，用戶之間不可避免地存在相互干擾，故為了解決此類問題并 消除干擾，一般選擇波束成形技術(shù)應(yīng)用于BS端。
[0003] 早期波束成形方法均假設(shè)BS能夠獲得理想CSI。但是在實(shí)際通信應(yīng)用中，BS無 法獲取理想CSI。如在時(shí)分雙工（TDD, time division duplexing)系統(tǒng)中，BS對信道估計(jì) 獲得CSI會(huì)產(chǎn)生信道估計(jì)誤差；而在頻分雙工（FDD, frequency division duplexing)系 統(tǒng)中，BS獲取CSI的方式是通過用戶端的信道估計(jì)和有限反饋，其中有限反饋會(huì)帶來量化 誤差，而信道反饋過程會(huì)引起延時(shí)誤差。因此移動(dòng)用戶反饋到BS的CSI中往往同時(shí)存在估 計(jì)、量化和延時(shí)誤差，而基于此種非理想CSI的信道條件下，多用戶下行魯棒波束成形設(shè)計(jì) 成為了目前的研究熱點(diǎn)。
[0004] 從現(xiàn)有的中外大量文獻(xiàn)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，雖然存在一些對MM0下行用戶的魯棒波束 成形設(shè)計(jì)，但是均基于理性CSI信道條件。此外，現(xiàn)有的文獻(xiàn)中也已有相關(guān)研究基于有限反 饋信道下的多用戶下行多入單出（MISO, multiple input single output)魯棒波束成形問 題或者是考慮存在延時(shí)誤差的CSI下，基于有限反饋信道的多用戶下行MIS0魯棒波束成形 問題，但上述所提研究也均是假設(shè)信道估計(jì)是理想的，即沒有信道估計(jì)誤差。而在實(shí)際FDD 通信系統(tǒng)中，信道估計(jì)誤差不可避免，且對移動(dòng)通信系統(tǒng)性能具有十分重要的影響。
[0005] 基于此，本發(fā)明考慮在同時(shí)存在估計(jì)、量化和延時(shí)誤差的非理想CSI條件下，以BS 發(fā)射功率作為約束條件，麗SE作為優(yōu)化函數(shù)，根據(jù)凸優(yōu)化理論，建立基于信號(hào)泄露的麗SE 的目標(biāo)函數(shù)，推導(dǎo)出一種分布式下行MIM0魯棒波束成形的方法，從而有效提升系統(tǒng)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：在多用戶MIM0通信系統(tǒng)中，基于非理想CSI條件下提出一種分布式多 用戶下行MIM0波束成形設(shè)計(jì)方法。該方法充分考慮信道量化、延時(shí)和估計(jì)三個(gè)因素對波束 成形矩陣的影響，基于信號(hào)泄露的MMSE準(zhǔn)則設(shè)計(jì)波束成形矩陣，最后推導(dǎo)出分布式系統(tǒng)最 優(yōu)波束成形矩陣及其閉式解。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0008] 非理想CSI :估計(jì)、量化與延時(shí)誤差。
[0009] 系統(tǒng)模型為多用戶下行MM0系統(tǒng)，其中BS在同一時(shí)頻資源上為K個(gè)用戶服務(wù)，BS 配置M根發(fā)送天線，每個(gè)用戶配置N根接收天線，如圖1所示。
[0010] 第k個(gè)用戶接收到的信號(hào)可以表示為：
[0011]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 本發(fā)明提出一種分布式多用戶下行MIMO魯棒波束成形方法，具體為：針對多入 多出（MIMO,multipleinputmultipleoutput)頻分雙工（FDD,frequencydivision duplexing)系統(tǒng)的移動(dòng)通信實(shí)際應(yīng)用中，移動(dòng)用戶反饋到基站（BS,basestation)的信道 狀態(tài)信息（CSI,channelstateinformation)同時(shí)存在估計(jì)、量化和延時(shí)誤差，并基于這種 信道條件，提出基于信號(hào)泄露的最小均方誤差（MMSE,minimummean-squareerror)的具有 分布式特性的魯棒波束成形方法。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布式多用戶下行MIMO魯棒波束成形方法，其特征在 于： 針對多用戶MM0通信系統(tǒng)中，BS無法獲取理想CSI時(shí)，提出分布式多用戶下行MM0波 束成形設(shè)計(jì)方法； 系統(tǒng)模型為多用戶下行MM0系統(tǒng)，其中BS在同一時(shí)頻資源上為K個(gè)用戶服務(wù)，BS配 置M根發(fā)送天線，每個(gè)用戶配置N根接收天線； 第k個(gè)用戶接收到的信號(hào)可以表示為：
- (1) 其中，GfeCf#表示從BS到用戶k的信道矩陣，其元素相互獨(dú)立且為零均值、單位方 差的復(fù)高斯隨機(jī)變量，heCVxl表示用戶k所接收到的高斯加性白噪聲向量，其元素相互獨(dú) 立且為零均值、單位方差的復(fù)高斯隨機(jī)變量，1xeC&Vxl分別為預(yù)編碼矩陣和 發(fā)送信號(hào)向量，（?）H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置； 所有K個(gè)用戶接收到的信號(hào)為：y=Gffx+n(2) 其中，5? = (5^，...，5?!-)7,6=(61，...義)1!，11 = (1111'，...,1|1)7，（〇1表示矩陣的轉(zhuǎn)置。注 意到E[nnH] =l，E[xxH] = 1，設(shè)BS發(fā)射功率限制為P，則有tr(ffffH)彡P(guān)，tr(*)表示矩陣 的跡； 在信道估計(jì)、量化和延時(shí)誤差同時(shí)存在的情況下，第n個(gè)時(shí)刻BS到用戶k的信道矩陣Gk「n1建臘為?
將⑶式寫成矩陣形式，假設(shè)G=(Gp.....，GK)H，得到： G=AH+BS+E+A(4) 其中，H= [Hjn-1]，? ? ?，HK[n-l]]H，E= [Ejn]，? ? ?，EK[n]]H，D=diag(p? ??，pK)， 、.-_
_ 一 -一 -7S= [Sjn-1]，? ? ?，SK[n-l] ]H，
A=DAC，B=DAZ， diag( ?)表示對角矩陣； 分布式波束成形設(shè)計(jì)： 即在實(shí)際通信系統(tǒng)中，BS為每個(gè)用戶單獨(dú)設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣；本發(fā)明基于信號(hào)泄露的MMSE表達(dá)式，考慮BS所獲得的非理想CSI情況，提出具有魯棒性的分布式波束成形方法； 將（1)式寫成如下形式：
(5) 其中，y'k為用戶的有用信號(hào)和噪聲項(xiàng)，第二項(xiàng)為用戶接收到的多用戶干擾。在實(shí)際通 信系統(tǒng)中，我們希望用戶接收到的干擾小，即原始信號(hào)Xk與y'k比較接近。基于此思想，并 結(jié)合信號(hào)泄露的分布式特性，我們定義多用戶下行MMO下基于信號(hào)泄露的MMSE為：
由此，我們得到基于信號(hào)泄露的MMSE魯棒波束成形設(shè)計(jì)問題： (7) k=i
其中E<e|H>e(Wk，由下式達(dá)到：
問題（7)為凸優(yōu)化問題，可以利用KKT條件求解，構(gòu)建拉格朗日方程如下：
(9) (9)式中的l(Wt，@U對Wt，@分別求偏導(dǎo)數(shù)：
根據(jù)（10)式，可以得到用戶k的波束成形矩陣Wk:
由（12)式可知，只要知道W，即可獲得Wk的閉式解。為了求出入J2,對（11)式 左乘Wf，并取跡得到：
聯(lián)立（10)式和（13)式可以得到：4/?2tr(WAHwd=iV,；：又由BS發(fā)射功率限制條
烙n4)才仵人n刃才犋剄.
為了求得令 wk= ^w； (16) 其中wk'由（18)式給出，將（16)式代入功率限制條件，可得到
因此分布式系統(tǒng)最優(yōu)波束成形矩陣為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種分布式多用戶下行MIMO魯棒波束成形方法，其特征在 于： 分布式多用戶下行MIMO魯棒波束成形方法具體流程如下，實(shí)施對象為小區(qū)中第k個(gè)用 戶， (1) 開始； (2) 在信道估計(jì)、量化和延時(shí)誤差同時(shí)存在的情況下，建立第k個(gè)用戶的信道模型矩 陣，如式（3); (3) 基于信號(hào)泄露的麗SE表達(dá)式，得到魯棒波束成形設(shè)計(jì)問題，如式（7); (4) 利用KKT條件求解，構(gòu)建拉格朗日方程、求偏導(dǎo)數(shù)，得到用戶k的波束成形矩陣Wk， 如式（12); (5) 求解入k@2,如式（14); (6) 求解@，如式（17); (7) 根據(jù)上述步驟，推導(dǎo)出分布式系統(tǒng)最優(yōu)波束成形矩陣如式（18); (8) 結(jié)束。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種分布式多用戶下行MIMO魯棒波束成形方法，具體為：針對多用戶多入多出頻分雙工系統(tǒng)的實(shí)際移動(dòng)通信應(yīng)用中，移動(dòng)用戶反饋到基站BS的信道狀態(tài)信息CSI同時(shí)存在估計(jì)、量化和延時(shí)誤差，基于這種信道條件，提出基于信號(hào)泄露的最小均方誤差的具有分布式特性的魯棒波束成形方法。該方法能夠應(yīng)用于更為實(shí)用的分布式移動(dòng)通信系統(tǒng)中，即BS能為單個(gè)移動(dòng)用戶獨(dú)立設(shè)計(jì)波束成形矩陣，更能滿足移動(dòng)用戶對通信服務(wù)質(zhì)量QoS的需求。
【IPC分類】H04B7-06
【公開號(hào)】CN104618006
【申請?zhí)枴緾N201510094900
【發(fā)明人】廖勇, 周昕, 李瑜鋒, 曹杰, 李 東
【申請人】重慶大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年3月3日