多小區(qū)時(shí)分復(fù)用無線系統(tǒng)波束成型方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多小區(qū)時(shí)分復(fù)用無線系統(tǒng)波束成型方法，其包括以下步驟：對時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)下的信道誤差進(jìn)行分析建模，構(gòu)建估計(jì)誤差和延時(shí)誤差同時(shí)存在的綜合信道誤差模型；基于此誤差模型，選取平均均方誤差性能指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)；構(gòu)建基于博弈論的框架，小區(qū)間不做任何的信息交互而進(jìn)行本地的優(yōu)化；把以上思想結(jié)合起來，構(gòu)造具有魯棒性和完全分布式的以最小化平均均方誤差為目標(biāo)波束成型算法；所述的時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)下的信道誤差模型具體為：由非理想上行探測信號引起的估計(jì)誤差和由于信道估計(jì)和算法計(jì)算產(chǎn)生的延時(shí)誤差。本發(fā)明能夠抑制多小區(qū)多用戶通信系統(tǒng)中的小區(qū)間干擾，同時(shí)有效抑制實(shí)際時(shí)分復(fù)用無線系統(tǒng)內(nèi)的信道狀態(tài)信息誤差對性能的影響。
【專利說明】多小區(qū)時(shí)分復(fù)用無線系統(tǒng)波束成型方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種成型方法，特別是涉及一種多小區(qū)時(shí)分復(fù)用(TDD，TimeDuplicated Division,時(shí)分復(fù)用)無線系統(tǒng)波束成型方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以LTE (Long Term Evolution,長期演進(jìn))為代表的3G演進(jìn)型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了移動通信在3G之后的一次階段性變革。為了進(jìn)一步滿足ΙΤΠΜΤ — Advanced的要求，同時(shí)也作為LTE技術(shù)的演進(jìn)，3GPP通過了 LTE-Advanced (LTE-A)作為4G標(biāo)準(zhǔn)的一個提案。多小區(qū)協(xié)作是LTE-A關(guān)鍵技術(shù)之一。同時(shí)，為滿足系統(tǒng)高速率及高頻譜利用率要求，LTE-A下行采用正交頻分多址(OFDMA)的接入方式。這樣在兩小區(qū)的結(jié)合邊緣處，信道頻率可能相同，因而在小區(qū)邊緣處的用戶對鄰小區(qū)將會產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾。這導(dǎo)致的結(jié)果就是如果需要保證用戶的通信量，整個小區(qū)發(fā)送功率會嚴(yán)重上升；如果需要保證較低的發(fā)送功率，小區(qū)的吞吐量會大幅下降。因此小區(qū)間干擾抑制是LTE-A系統(tǒng)研究的關(guān)鍵課題之一。
[0003]當(dāng)前多小區(qū)干擾抑制的一個熱點(diǎn)就是調(diào)整天線的分配波束成形，它的設(shè)計(jì)目的在于調(diào)整天線的分配，即確定每個用戶在每個子載波上傳輸?shù)臅r(shí)候應(yīng)該怎樣配置發(fā)射天線以及基站應(yīng)該怎樣配置接收天線，使發(fā)送波束在最大限度上與接收天線相正交。波束成形技術(shù)就是多個基站合作來降低小區(qū)間干擾。
[0004]對于多天線無線系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)方案把所有信息匯總到一個中央處理(CP)計(jì)算整個系統(tǒng)的最優(yōu)化問題，但由于X2接口的帶寬和處理器的計(jì)算能力受限，這種方案比較難實(shí)現(xiàn)。所以需要采用信息交互開銷和計(jì)算開銷比較少的分布式的案，每個基站通過交互得至蜞它小區(qū)信息，再根據(jù)本地的信息，計(jì)算本小區(qū)的最優(yōu)化問題，以迭代的方式得到系統(tǒng)的解。所以分布式框架具有較高可行性。分布式框架下算法迭代的收斂性與收斂速度也是需要考慮的問題。
[0005]此外傳統(tǒng)的波束成型算法大多假設(shè)系統(tǒng)進(jìn)行理想的CSI (Channel StateInformation，信道狀態(tài)信息)估計(jì)，即估計(jì)到的CSI與實(shí)際CSI相比不存在任何誤差。而在實(shí)際的TDD系統(tǒng)中存在著的估計(jì)誤差和延時(shí)誤差，傳統(tǒng)的算法在實(shí)際系統(tǒng)中會有嚴(yán)重的性能下降。所以如何克服CSI誤差對算法性能的影響也是需要考慮的一個因素。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中公開了G.Scutari, S.Barbarossa, and D.P.Palomar 的研究成果“TheMIMO Iterative Water-filling Algorithm (ΜΙΜΟ 系統(tǒng)中的迭代注水算法)”，in IEEETrans.Signal Process., vol.57, n0.5, pp.1917-1935，MAY2009,提出 了一種基于博弈論思想的波束成型算法，各個基站把用戶收到的小區(qū)間干擾當(dāng)作有色的加性噪聲，小區(qū)間不傳遞任何CSI和其他信令。每個小區(qū)在求解優(yōu)化問題時(shí)采用著名的注水算法，作者把注水算子當(dāng)作矩陣投影來理解，推導(dǎo)了算法能夠收斂的充分性條件。
[0007]D.H.N.Nguyen and Τ.Le-Ngoc 的文獻(xiàn)“Multiuser Downlink Beamforming inMult1-cell Wireless Systems:A Game Theoretical Approach (多小區(qū)多用戶無線系統(tǒng)中下行波束成型算法:一種基于博弈輪的解決方案)”，in IEEE Trans.Signal Process.,vol.59, n0.7, pp.3326-3338，July2011，它采用了與上面研究成果相同的思想，實(shí)現(xiàn)了不需要信息交互的博弈論框架。基于文獻(xiàn)的分析，系統(tǒng)在這種框架下沒有達(dá)到帕累托最優(yōu)，所以算法性能還有提高的空間。為了提高算法的性能，文獻(xiàn)還提出了一種干擾懲罰的機(jī)制(Interference Pricing),把算法性能提升到靠近系統(tǒng)最優(yōu)解的水平。文獻(xiàn)同樣分析了算法的收斂條件。
[0008]考慮CSI誤差對系統(tǒng)的影響，B.Dai, ff.Xu, and C.Zhao的研究成果“Optimal MMSEbeamforming for multiuser downlink with delayed CSI feedback using codebooks(帶有延遲的碼本CSI反饋的多小區(qū)通信系統(tǒng)中的最優(yōu)MMSE下行波束成型算法)”in Proc.1EEEGlobecom, Houston, USA, Dec.2011，考慮了延時(shí)誤差和反饋量化誤差同時(shí)存在的信道，對非理想信道進(jìn)行了建模?；诜抢硐胄诺滥Ｐ?，文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了單小區(qū)下的魯棒性波束成型問題，并且得到了魯棒性問題的最優(yōu)解。通過仿真，文獻(xiàn)證明了提出的算法與傳統(tǒng)波束成型算法相比能夠有效的克服兩種誤差帶來的性能損失。
[0009]基于以上系統(tǒng)需求和已有成果的分析，設(shè)計(jì)既能夠有效抑制TDD系統(tǒng)信道誤差，又能夠?qū)崿F(xiàn)不需要信息交互的分布式框架，同時(shí)還能夠適應(yīng)TDD系統(tǒng)的通信特點(diǎn)的波束成型算法，從實(shí)用性上來考慮，具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種多小區(qū)時(shí)分復(fù)用無線系統(tǒng)波束成型方法，其減小系統(tǒng)開銷以及抑制CSI誤差,每個小區(qū)以整個小區(qū)的AMSE (Average Mean SquareEiror，平均均方誤差)為優(yōu)化目標(biāo)，以本小區(qū)的發(fā)送功率為約束條件?；诓┺恼摰乃枷?，每個小區(qū)把小區(qū)間干擾當(dāng)作背景噪聲來處理，這樣小區(qū)間不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以以分布式方式實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的發(fā)送波束設(shè)計(jì)，具備較高的可實(shí)現(xiàn)性。并且算法能夠收以一定的概率收斂，系統(tǒng)能夠在保證每個基站以最大功率進(jìn)行信號發(fā)送并且無信息交互的前提下，每個小區(qū)用戶AMSE的和最小，系統(tǒng)的容量達(dá)到最大。
[0011]本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的:一種多小區(qū)時(shí)分復(fù)用無線系統(tǒng)波束成型方法，其特征在于，其包括以下步驟:對時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)下的信道誤差進(jìn)行了分析建模，構(gòu)建了估計(jì)誤差和延時(shí)誤差同時(shí)存在的綜合信道誤差模型；基于此誤差模型，選取了平均均方誤差性能指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)；構(gòu)建了基于博弈論的框架，小區(qū)間不做任何的信息交互而進(jìn)行本地的優(yōu)化；把以上思想結(jié)合起來，構(gòu)造了具有魯棒性和完全分布式的以最小化平均均方誤差為目標(biāo)波束成型算法；所述的時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)下的信道誤差模型具體為:由非理想上行探測信號引起的估計(jì)誤差和由于信道估計(jì)和算法計(jì)算產(chǎn)生的延時(shí)誤差；所述的基于博弈論的框架具體為:用戶在接受到信號時(shí)只識別有用信號和小區(qū)內(nèi)干擾，把小區(qū)間干擾當(dāng)作背景噪聲；通過干擾估計(jì)得到小區(qū)間干擾與噪聲的功率和，結(jié)合本小區(qū)的信道狀態(tài)信息構(gòu)建本地優(yōu)化問題并求解。
[0012]優(yōu)選地，所述時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)下的信道誤差包括估計(jì)誤差和延時(shí)誤差，由于信道具有互異性，基站通過用戶進(jìn)行上行探測信號可以得到下行的信道；由于探測信號序列有限，基于最小均方誤差的信道狀態(tài)信息估計(jì)會產(chǎn)生估計(jì)誤差；另外，由于下行傳輸與上行探測信號之間存在延遲，時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)也會出現(xiàn)延時(shí)誤差；結(jié)合兩種誤差，給出符合時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)特征的綜合誤差模型
【權(quán)利要求】
1.一種多小區(qū)時(shí)分復(fù)用無線系統(tǒng)波束成型方法，其特征在于，其包括以下步驟:對時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)下的信道誤差進(jìn)行了分析建模，構(gòu)建了估計(jì)誤差和延時(shí)誤差同時(shí)存在的綜合信道誤差模型；基于此誤差模型，選取了平均均方誤差性能指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)；構(gòu)建了基于博弈論的框架，小區(qū)間不做任何的信息交互而進(jìn)行本地的優(yōu)化；把以上思想結(jié)合起來，構(gòu)造了具有魯棒性和完全分布式的以最小化平均均方誤差為目標(biāo)波束成型算法；所述的時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)下的信道誤差模型具體為:由非理想上行探測信號引起的估計(jì)誤差和由于信道估計(jì)和算法計(jì)算產(chǎn)生的延時(shí)誤差；所述的基于博弈論的框架具體為:用戶在接受到信號時(shí)只識別有用信號和小區(qū)內(nèi)干擾，把小區(qū)間干擾當(dāng)作背景噪聲；通過干擾估計(jì)得到小區(qū)間干擾與噪聲的功率和，結(jié)合本小區(qū)的信道狀態(tài)信息構(gòu)建本地優(yōu)化問題并求解。
2.如權(quán)利要求1所述的多小區(qū)時(shí)分復(fù)用無線系統(tǒng)波束成型方法，其特征在于，所述時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)下的信道誤差包括估計(jì)誤差和延時(shí)誤差，由于信道具有互異性，基站通過用戶進(jìn)行上行探測信號可以得到下行的信道；由于探測信號序列有限，基于最小均方誤差的信道狀態(tài)信息估計(jì)會產(chǎn)生估計(jì)誤差；另外，由于下行傳輸與上行探測信號之間存在延遲，時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)也會出現(xiàn)延時(shí)誤差；結(jié)合兩種誤差，給出符合時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)特征的綜合誤差模型h
3.如權(quán)利要求2所述的多小區(qū)時(shí)分復(fù)用無線系統(tǒng)波束成型方法，其特征在于，所述平均均方誤差性能指標(biāo)為用戶接受到的信號與期望信號之間誤差的均方值，具體形式為:
4.如權(quán)利要求1所述的多小區(qū)時(shí)分復(fù)用無線系統(tǒng)波束成型方法，其特征在于，所述小區(qū)間干擾與噪聲的功率和的形式為
5.如權(quán)利要求1所述的多小區(qū)時(shí)分復(fù)用無線系統(tǒng)波束成型方法，其特征在于，所述基于博弈論的框架具體為 G=(Λ，(BJqe Λ, {tq(Uq, U_q)}qe Λ) ；BS 的集合 A = {1，2，...，Q}表示博弈的參與者；由BS-q的發(fā)送功率約束定義的BS-q的發(fā)送策略的可行域
6.如權(quán)利要求1所述的多小區(qū)時(shí)分復(fù)用無線系統(tǒng)波束成型方法，其特征在于，所述平均均方誤差性能指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)本地優(yōu)化問題，設(shè)計(jì)的優(yōu)化問題具體為:
7.如權(quán)利要求6所述的多小區(qū)時(shí)分復(fù)用無線系統(tǒng)波束成型方法，其特征在于，所述系統(tǒng)的平衡點(diǎn)等價(jià)于博弈論框架的納什均衡，它表示各個參與者同時(shí)采取問題的最優(yōu)解，任何一個參與者單方面調(diào)整策略只會讓自身的收益惡化；具體表示為如果存在一個策略集合
8.如權(quán)利要求6所述的多小區(qū)時(shí)分復(fù)用無線系統(tǒng)波束成型方法，其特征在于，所述本地優(yōu)化問題用著名的Lagrange函數(shù)法配合等價(jià)代換求解得到本地優(yōu)化問題的閉式解，閉式解為 K=仏,其中
9.如權(quán)利要求1所述的多小區(qū)時(shí)分復(fù)用無線系統(tǒng)波束成型方法，其特征在于，所述目標(biāo)波束成型算法按照以下規(guī)則進(jìn)行: 步驟一，各個基站初始化，為各自的預(yù)編碼矩陣設(shè)定初始值；設(shè)定迭代停止條件； 步驟二，基站按順序進(jìn)行如下操作:進(jìn)行信道狀態(tài)信息估計(jì)，測定用戶和系統(tǒng)的信道狀態(tài)信息誤差參數(shù)σ2，A91 ‘和Ts，構(gòu)建所述的信道誤差綜合模型；測定用戶受到的小區(qū)間干擾并假設(shè)其為背景噪聲，設(shè)計(jì)本小區(qū)的優(yōu)化問題并求解其閉式解，更新自己的波束成型矩陣；步驟三，判定是否滿足迭代停止條件；如滿足，停止迭代，輸出結(jié)果，如不滿足，則返回步驟二。
【文檔編號】H04W24/02GK103595453SQ201310526283
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】徐巖松, 何晨, 蔣鈴鴿 申請人:上海交通大學(xué)