CN103974274B - 一种提升多小区能效的鲁棒性波束赋形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够提升多小区通信能量效率的鲁棒性波束赋形方法，按如下步骤进行：首先，每个基站通过导频序列估计得到当前的信道状态信息；然后，根据经典分式编程方法，将多小区能效传输优化转化为求解一个单变量函数等于0的问题，该问题的解就是最佳传输能效，在求解过程将获得用于多小区最佳能效传输的波束赋形参数；接着为了求解单变量函数，引入附加变量将其转化，进而可以多基站并行采用标准半正定规划方法来迭代求解。本发明方法能够在基站发射总功率受限的条件下获得多小区基站传输功率分配以及波束赋形参数，保证系统在有信道信息误差情况下仍然能够获得最佳的能量效率。

Description

一种提升多小区能效的鲁棒性波束赋形方法

技术领域

本发明属于无线蜂窝网能效管理技术领域，涉及一种提升多小区能效的鲁棒性波束赋形方法。

背景技术

近几年由于在蜂窝网中能量的过度消耗，绿色网络(降低能量消耗，提高能量效率)的概念引起了广泛的关注。同时随着4G技术的快速发展，如何综合考虑能量效率和频谱效率已经成为一个很重要的问题。

现在有很多相关的研究来优化单小区的能量效率或者频谱效率。假设发射端拥有准确的信道状态信息，经典的注水模型也已被推广为动态的注水模型，从而提升了系统传输能效。近年来，最大化能量效率和频谱效率的方法也被推广到多小区多用户场景。不同于单小区情况，在多小区场景下必须考虑小区间干扰，因此也使得问题更加复杂化。近年来已发展出一系列关于最大化多小区频谱效率的迭代算法。当基站可以获得准确的信道信息时，已经有一系列的传输优化和设计方法来设计最佳线性波束赋形参数的策略。然而，实际上在绝大部分移动通信应用场景中，获得准确的信道状态信息非常困难，通常基站得到的信道信息都存在一定的估计误差。

现有的能效设计方法由于没有考虑信道信息误差，优化得到的最佳波束赋形参数在实际中的性能会达不到预期，甚至比不优化时的性能更差。由于上述问题，鲁棒性波束赋形优化方法也越来越引起人们的重视。最近，有研究人员根据有界的信道误差模型，设计了最大化鲁棒性频谱效率的优化策略。但是由于能效优化的目标函数是一个复杂的分式形式，在考虑信道估计误差场景下，即便针对单小区传输场景，也没有完善的鲁棒性高能效波束赋形方法。基于这种情况，本专利将考虑信道状态信息不准确情况下的多小区高能效传输优化设计。本发明方法首先利用经典分式编程方法的性质将原分式问题转化为比较易于处理的形式，然后通过引入一系列松弛变量将优化问题转化为标准可求解的半正定凸优化问题(对应说明书中第二步的步骤S2和步骤S3)。针对该简化问题，多基站可以并行采用标准凸优化工具进行传输优化设计，获得最佳的鲁棒性传输能效。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种考虑了多小区无线通信网络中的鲁棒性的改善能效的方法。具体而言就是提供一种提升多小区能效的鲁棒性波束赋形方法。

技术方案：本发明提供一种波束赋形方法，用于包含M个小区任意一个小区有一个基站m的无线通信网络，其特征在于，在考虑信道估计误差ε的情况下，提供一种有最佳能量效率的波束赋形方法，采用具体步骤如下：

第一步，确定无线通信网络所能获得的最佳传输能效η^*的上界

和下界η_min＝0；

其中，K表示每个小区中的用户数目；表示基站m到该小区第k个用户的信道估计值，维度为1×N，其中N表示基站m的天线数目；信道估计误差为ε，取ε∈[0,0.2]；P_m表示基站m的发射功率，P_c表示每根天线的固定功率消耗，P_o表示每个基站的固定功率消耗；

第二步，在最佳传输能效η^*的上界和下界范围[η_min,η_max]内，采用二分法搜索，首先利用凸优化方法求解等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾的标准的半正定规划SDP问题，得到传输能效上界和下界两端点以及传输能效中间值上的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾的函数值，若中间值η处的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾函数值与上界η_max处的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾函数值符号互异则重置下一次的迭代的上下界为本次迭代的上界和中间值[η,η_max]，否则若中间值η处的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾函数值与下界η_min处的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾函数值符号互异则重置下一次的迭代的上下界为本次迭代的中间值和下界[η_min,η]，重复迭代直至相邻两次等价能效函数的差值为一个极小的正数，得到等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾零点的近似值η^*，η^*为最佳传输能效，二分法具体步骤如下：

S1，初始化能效中间值迭代次数n＝0，基站m第k个用户的一阶接收均衡器系数为1，最小接收均方误差参数为2；

S2，更新n＝n+1，根据当前的能效中间值η，之前(n-1)时刻的最小接收均方误差参数和一阶接收均衡器系数利用凸优化方法求解式(1)中标准的半正定规划SDP问题，得到当前n时刻基站m的预编码矩阵{φ_m}⁽ⁿ⁾，过渡波束赋形门限过渡波束限制门限过渡波束松弛变量过渡波束能效参数r_m，

式(1)中，min表示选择不同的过渡波束限制门限预编码矩阵{φ_m}⁽ⁿ⁾、过渡波束松弛变量过渡波束赋形门限和过渡波束能效参数r_m以得到最小的过渡波束能效参数r_m，s.t.表示优化问题的约束条件，ξ是功率放大器效率的常数，取值范围ξ≥1；过渡波束同构矩阵和过渡波束异构矩阵定义如下：

其中是基站m第k个用户的加权接收均衡器，取上标H表示共轭转置；表示基站m对于该小区第k个用户的预编码向量，其维度为基站m的天线数目N×1；基站m的预编码矩阵其维度为基站m的天线数目×基站m的用户数目，即N×K；I_N×N为维度为基站m的天线数目N的单位矩阵，e_k是一个维度为基站m的用户数目1×K的向量，其第k个位置为1，其余位置均为0；

S3，根据步骤S2得到当前n时刻基站m的预编码矩阵{φ_m}⁽ⁿ⁾和之前(n-1)时刻的最小接收均方误差参数利用凸优化方法求解式(2)给出的标准的半正定规划SDP问题，得到当前n时刻基站m中用户k的一阶接收均衡器系数过渡接收限制门限过渡接收松弛变量过渡接收能效参数

式(2)中，min表示选择不同的过渡接收限制门限过渡接收松弛变量过渡接收能效参数和一阶接收均衡器系数以得到最小的过渡接收能效参数s.t.表示优化问题的约束条件，过渡接收同构矩阵和过渡接收异构矩阵定义如下：

S4，根据步骤S3中得到的过渡接收能效参数计算当前n时刻基站m中用户k的最小接收均方误差参数为

S5，根据步骤S2到步骤S4得到的当前n时刻基站m的预编码矩阵过渡接收能效参数和能效中间值η，按照(3)式计算当前n时刻的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾

其中，为过渡接收能效参数，ξ为功率放大器效率的常数，M为小区个数，N为基站天线数目，K为每个小区中用户个数，P_c表示每根天线的固定功率消耗，P_o表示每个基站的固定功率消耗；

S6，重复步骤S2到步骤S5直到前后两次的等价能效函数值相差一个极小的正数δ，即|G(η)⁽ⁿ⁾-G(η)^(n-1)|≤δ，取δ∈[0,10^-4]；

第三步，如果当前的等价能效函数值G(η)⁽ⁿ⁾大于0，则令能效下界为当前能效中间值η_min＝η；如果当前的等价能效函数值G(η)⁽ⁿ⁾小于0，则令能效上界为当前能效中间值η_max＝η；返回第二步直到找到最佳传输能效η^*使得等价能效函数值G(η^*)＝0，此时基站m的最佳波束赋形参数就是步骤S2中预编码矩阵{φ_m}⁽ⁿ⁾；

第四步，基站根据第三步得到的预编码矩阵{φ_m}⁽ⁿ⁾对数据进行预编码，将经过预编码的数据发送至各小区用户。

有益效果

1)由于将基站获得的信道信息存在误差这个因素考虑进去，这与实际通信系统中基站无法获得准确信道信息这个情况相吻合。根据信道误差调整最佳传输能效的上下限，通过二分法迭代得到最佳的波束赋形参数，与现有的波束赋形方法相比，本发明方法得到的最佳波束赋形参数在实际中有更高的能量效率。

2)本发明方法通过第二步的步骤S2和步骤S3，将原本复杂的分式形式的能量效率问题转化为标准凸优化问题，并利用标准优化工具设计传输方法。将问题简化，提高运算速度。

3)采用本发明方法中计算出的波束赋形参数由于考虑到信道误差，可以最大化鲁棒性能量效率。

附图说明

图1描述的是不同信道误差界限的情形下，本发明提出的鲁棒性能效方法的归一化能量效率；图中，有两个小区，每小区基站有两根天线，服务小区中的一个单天线用户；

图2比较的是本发明提出的鲁棒性方法与传统非鲁棒性方法的能量效率；图中，有两个小区，每小区基站有两根天线，服务小区中的一个单天线用户；

图3是本发明的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，信道估计误差越大意味着传输能效将变得越小。如图2所示，本发明的鲁棒性方法在性能方面明显优于不考虑鲁棒性的传统方法。本发明提供一种波束赋形方法，用于包含M＝2个小区任意一个小区有一个基站m的无线通信网络，其特征在于，在考虑信道估计误差ε＝0.1的情况下，提供一种有最佳能量效率的波束赋形方法，采用具体实施步骤如下：

第一步，确定无线通信网络所能获得的最佳传输能效η^*的上界和下界η_min＝0；

其中，K＝1表示每个小区中的用户数目；表示基站m到该小区第k个用户的信道估计值，维度为1×N，其中N＝2表示基站m的天线数目；信道估计误差为ε，取ε＝0.1；P_m＝5dBW表示基站m的发射功率，P_c＝30dBm表示每根天线的固定功率消耗，P_o＝40dBm表示每个基站的固定功率消耗；

第二步，在最佳传输能效η^*的上界和下界范围[η_min,η_max]内，采用二分法搜索，首先利用凸优化方法求解等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾的标准的半正定规划SDP问题，得到传输能效上界和下界两端点以及传输能效中间值上的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾的函数值，若中间值η处的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾函数值与上界η_max处的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾函数值符号互异则重置下一次的迭代的上下界为本次迭代的上界和中间值[η,η_max]，否则若中间值η处的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾函数值与下界η_min处的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾函数值符号互异则重置下一次的迭代的上下界为本次迭代的中间值和下界[η_min,η]，重复迭代直至相邻两次等价能效函数的差值为一个极小的正数，得到等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾零点的近似值η^*，η^*为最佳传输能效，二分法具体步骤如下：

S1，初始化能效中间值迭代次数n＝0，基站m第k个用户的一阶接收均衡器系数为1，最小接收均方误差参数为2；

S2，更新n＝n+1，根据当前的能效中间值η，之前(n-1)时刻的最小接收均方误差参数和一阶接收均衡器系数利用凸优化方法求解式(1)中标准的半正定规划SDP问题，得到当前n时刻基站m的预编码矩阵{φ_m}⁽ⁿ⁾，过渡波束赋形门限过渡波束限制门限过渡波束松弛变量过渡波束能效参数r_m，

式(1)中ξ是功率放大器效率的常数，取ξ＝1；过渡波束同构矩阵和过渡波束异构矩阵定义如下：

其中是基站m第k个用户的加权接收均衡器，取上标H表示共轭转置；表示基站m对于该小区第k个用户的预编码向量，其维度为基站m的天线数目N×1；基站m的预编码矩阵其维度为基站m的天线数目×基站m的用户数目，即N×K；I_N×N为维度为基站m的天线数目N的单位矩阵，e_k是一个维度为基站m的用户数目1×K的向量，其第k个位置为1，其余位置均为0；

S3，根据步骤S2得到当前n时刻基站m的预编码矩阵{φ_m}⁽ⁿ⁾和之前(n-1)时刻的最小接收均方误差参数利用凸优化方法求解式(2)给出的标准的半正定规划SDP问题，得到当前n时刻基站m中用户k的一阶接收均衡器系数过渡接收限制门限过渡接收松弛变量过渡接收能效参数

式(2)中过渡接收同构矩阵和过渡接收异构矩阵定义如下：

S4，根据步骤S3中得到的过渡接收能效参数计算当前n时刻基站m中用户k的最小接收均方误差参数为

S5，根据步骤S2到步骤S4得到的当前n时刻基站m的预编码矩阵过渡接收能效参数和能效中间值η，按照(3)式计算当前n时刻的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾

其中，为过渡接收能效参数，ξ为功率放大器效率的常数，M为小区个数，N为基站天线数目，K为每个小区中用户个数，P_c表示每根天线的固定功率消耗，P_o表示每个基站的固定功率消耗；

S6，重复步骤S2到步骤S5直到前后两次的等价能效函数值相差一个极小的正数δ，即|G(η)⁽ⁿ⁾-G(η)^(n-1)|≤δ，取δ∈[0,10^-4]；

第三步，如果当前的等价能效函数值G(η)⁽ⁿ⁾大于0，则令能效下界为当前能效中间值η_min＝η；如果当前的等价能效函数值G(η)⁽ⁿ⁾小于0，则令能效上界为当前能效中间值η_max＝η；返回第二步直到找到最佳传输能效η^*使得等价能效函数值G(η^*)＝0，此时基站m的最佳波束赋形参数就是步骤S2中预编码矩阵{φ_m}⁽ⁿ⁾；

第四步，基站根据第三步得到的预编码矩阵{φ_m}⁽ⁿ⁾对数据进行预编码，将经过预编码的数据发送至各小区用户。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种波束赋形方法，用于包含M个小区任意一个小区有一个基站m的无线通信网络，其特征在于，在考虑信道估计误差ε的情况下，提供一种有最佳能量效率的波束赋形方法，采用具体步骤如下：

第一步，确定无线通信网络所能获得的最佳传输能效η^*的上界和下界η_min＝0；

其中，K表示每个小区中的用户数目；表示基站m到该小区第k个用户的信道估计值，维度为1×N，其中N表示基站m的天线数目；信道估计误差为ε，取ε∈[0,0.2]；P_m表示基站m的发射功率，P_c表示每根天线的固定功率消耗，P_o表示每个基站的固定功率消耗；

第二步，在最佳传输能效η^*的上界和下界范围[η_min,η_max]内，采用二分法搜索，首先利用凸优化方法求解等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾的标准的半正定规划SDP问题，得到传输能效上界和下界两端点以及传输能效中间值上的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾的函数值，若中间值η处的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾函数值与上界η_max处的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾函数值符号互异则重置下一次的迭代的上下界为本次迭代的上界和中间值[η,η_max]，否则若中间值η处的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾函数值与下界η_min处的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾函数值符号互异则重置下一次的迭代的上下界为本次迭代的中间值和下界[η_min,η]，重复迭代直至相邻两次等价能效函数的差值为一个极小的正数，得到等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾零点的近似值η^*，η^*为最佳传输能效，二分法具体步骤如下：

S1，初始化能效中间值迭代次数n＝0，基站m第k个用户的一阶接收均衡器系数为1，最小接收均方误差参数为2；

S2，更新n＝n+1，根据当前的能效中间值η，之前(n-1)时刻的最小接收均方误差参数和一阶接收均衡器系数利用凸优化方法求解式(1)中标准的半正定规划SDP问题，得到当前n时刻基站m的预编码矩阵{φ_m}⁽ⁿ⁾，过渡波束赋形门限过渡波束限制门限过渡波束松弛变量过渡波束能效参数r_m，

式(1)中，min表示选择不同的过渡波束限制门限预编码矩阵{φ_m}⁽ⁿ⁾、过渡波束松弛变量过渡波束赋形门限和过渡波束能效参数r_m以得到最小的过渡波束能效参数r_m，s.t.表示优化问题的约束条件，ξ是功率放大器效率的常数，取值范围ξ≥1；过渡波束同构矩阵和过渡波束异构矩阵定义如下：

其中是基站m第k个用户的加权接收均衡器，取上标H表示共轭转置；表示基站m对于该小区第k个用户的预编码向量，其维度为基站m的天线数目N×1；基站m的预编码矩阵其维度为基站m的天线数目×基站m的用户数目，即N×K；I_N×N为维度为基站m的天线数目N的单位矩阵，e_k是一个维度为基站m的用户数目1×K的向量，其第k个位置为1，其余位置均为0；

S3，根据步骤S2得到当前n时刻基站m的预编码矩阵{φ_m}⁽ⁿ⁾和之前(n-1)时刻的最小接收均方误差参数利用凸优化方法求解式(2)给出的标准的半正定规划SDP问题，得到当前n时刻基站m中用户k的一阶接收均衡器系数过渡接收限制门限过渡接收松弛变量过渡接收能效参数

式(2)中，min表示选择不同的过渡接收限制门限过渡接收松弛变量过渡接收能效参数和一阶接收均衡器系数以得到最小的过渡接收能效参数a_m ^k，s.t.表示优化问题的约束条件，过渡接收同构矩阵和过渡接收异构矩阵定义如下：

S4，根据步骤S3中得到的过渡接收能效参数计算当前n时刻基站m中用户k的最小接收均方误差参数为

S5，根据步骤S2到步骤S4得到的当前n时刻基站m的预编码矩阵过渡接收能效参数和能效中间值η，按照(3)式计算当前n时刻的等价能效函数G(η)⁽ⁿ⁾

其中，为过渡接收能效参数，ξ为功率放大器效率的常数，M为小区个数，N为基站天线数目，K为每个小区中用户个数，P_c表示每根天线的固定功率消耗，P_o表示每个基站的固定功率消耗；

S6，重复步骤S2到步骤S5直到前后两次的等价能效函数值相差一个极小的正数δ，即|G(η)⁽ⁿ⁾-G(η)^(n-1)|≤δ，取δ∈[0,10^-4]；

第三步，如果当前的等价能效函数值G(η)⁽ⁿ⁾大于0，则令能效下界为当前能效中间值η_min＝η；如果当前的等价能效函数值G(η)⁽ⁿ⁾小于0，则令能效上界为当前能效中间值η_max＝η；返回第二步直到找到最佳传输能效η^*使得等价能效函数值G(η^*)＝0，此时基站m的最佳波束赋形参数就是步骤S2中预编码矩阵{φ_m}⁽ⁿ⁾；

第四步，基站根据第三步得到的预编码矩阵{φ_m}⁽ⁿ⁾对数据进行预编码，将经过预编码的数据发送至各小区用户。