1.一种基于QoS的多小区下行MIMO鲁棒波束成形方法,该方法包括:
S1,基于QoS的多小区下行MIMO鲁棒波束成形的设计;
由C个小区组成的多小区协作下行MIMO系统,BS之间共享CSI以协作进行波束成形设计,不共享用户数据信号;假设BS均配置M根天线,用户均配置单根天线,每个BS有K个激活用户;由BSi到用户(k,j)的信道矩阵表示为信道经历时间和频率平稳衰弱,信道系数相互独立,且为零均值单位方差的复高斯随机变量;用户(k,i)接收到的信号表示为:
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其中:为BSi为其小区内用户(l,i)设置的的发送波束成形向量;x(l,i)为BSi对用户(l,i)发送的数据信号,满足E(|x(l,i)x(l,i)|)=1;n(k,i)是用户(k,i)接收到的噪声,其为零均值方差为σ2的复高斯白噪声;ρ(k,i)是用户(k,i)接收到的小区间干扰信号,即其它协作小区泄露到用户(k,i)的干扰信号,假设用户能够测量此值,并通过上行链路回传给BS,因此对于BS,小区间干扰值已知;用户(k,i)的SINR为:
其中:ε(k,i)=E(|ρ(k,i)|2)为其它协作小区泄露到用户(k,i)的干扰信号功率;
考虑非理想CSI对性能的影响;采用球形信道估计模型,真实信道与估计信道关系表示如下:
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是进行信道估计以后得到的CSI,是真实CSI,是信道估计误差,假定即信道估计不确定性区域满足半径为的球形约束;
在满足用户QoS的情况下,将小区间信号泄露功率引入优化函数中,优化问题目标函数为发射功率以及小区间信号泄露功率和,总发射功率作为效应函数,小区间泄露功率作为惩罚函数,其能够获得总发射功率以及小区间泄露功率之间的平衡,从而最大限度地优化系统性能;由于CSI不理想,为了充分保证每个服务用户的QoS,本发明考虑最差情况下的鲁棒波束成形;多小区下行MIMO波束成形问题描述为:
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S2,基于QoS的多小区下行MIMO鲁棒波束成形设计问题的近似估计;
该波束成形问题中,由于考虑最差情况而导致约束项中出现min和目标函数中出现max,从而加大了问题求解的复杂性;下面通过引入三角不等式和矩阵的迹相关知识,近似优化该波束成形问题;
信道估计模型代入该波束成形问题的目标函数中,且利用三角不等式,简化过程如下:
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同样,信道估计模型代入该波束成形问题的约束项中,约束项的分母近似为:
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S3,迭代算法,求解估计后的波束成形设计问题的算法;
所述S3中,迭代算法为:
步骤1、上下行链路波束成形问题转换;
下行多小区MIMO协作发送波束成形问题与上行对偶链路接收波束成形问题等价,上行问题表示如下:
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注:表示对偶上行链路接收波束成形向量,λ(k,i)是拉格朗日乘子,可以理解为上行链路中用户(k,i)的发射信号功率;
证明:下行多小区MIMO协作发送波束成形问题变换为标准SOCP问题,并利用标准凸优化工具包求解,因此对于下行波束成形问题而言,强对偶性成立;强对偶性能够确保原问题与其拉格朗日对偶问题具有相同的最优值,因此可以利用拉格朗日对偶理论,证明上述对偶性;
首先对下行问题建立拉格朗日函数:
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其中,λ(k,i)为拉格朗日乘子,其满足λ(k,i)≥0,A(k,i)表示如下:
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对偶问题的目标函数为在无约束条件下拉格朗日函数的最小值,即求得:
仅当A(k,i)为半正定矩阵时,拉格朗日函数具有最小值,且最小值为所以下行问题的拉格朗日对偶优化问题为,
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</mrow>
下面将上式转换为对偶上行链路的接收波束成形问题,假设上行链路最优的接收波束成形向量为根据半正定矩阵的定义:
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<mn>0</mn>
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将上式做适当变形,写成分式形式,表示为:
<mrow>
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<mo>,</mo>
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可以得到对偶优化问题:
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<mi>x</mi>
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<mi>&lambda;</mi>
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<mi>k</mi>
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</msup>
<mo>&GreaterEqual;</mo>
<mn>0</mn>
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<mo>&ForAll;</mo>
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</mtd>
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</mtd>
</mtr>
</mtable>
<mo>,</mo>
</mrow>
而对于上行波束成形问题,使得上下链路SINR最大的必定是最优接收波束成形向量上行波束成形问题重写为:
<mfenced open = "" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<munder>
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<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
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<mo>)</mo>
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上行波束成形问题和下行波束成形问题中只有优化函数中max、min和约束项中≤、≥不相同,根据凸优化对偶知识可知,上述两个问题是等价的,即拥有相同的最优值;证明完毕;
步骤2、求解上行对偶问题;
若上行链路接收波束成形向量确定,则使得上行链路接收波束成形问题获得最优值的λ(k,i)必然使得该问题的约束项等式成立,即:
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这样可以获得C×K个等式组成的线性方程组,通过求解这个线性方程组就能够得到λ(k,i)的解,上式变形如下:
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把上述C×K等式组成的线性方程组写成由C个矩阵等式组成的线性方程组形式:
<mfenced open = "" close = "">
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其中Ei∈CK×K,λi∈C1×K,fi∈C1×K,定义分别如下:
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</mrow>
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<mo>+</mo>
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<mi>i</mi>
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<mrow>
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<mo>+</mo>
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<mrow>
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</mrow>
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</mrow>
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</msup>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mi>H</mi>
</msup>
<mo>,</mo>
</mrow>
λi=[(λ(1,i))T,...,(λ(K,i))T]T,
因此:
<mrow>
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
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<mi>i</mi>
</msub>
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<mo>&lsqb;</mo>
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<mi>i</mi>
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<mrow>
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</msub>
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<mtd>
<mrow>
<mo>&ForAll;</mo>
<mi>i</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
<mo>;</mo>
</mrow>
接下来来优化若拉格朗日乘子λ(k,i)固定,则上行链路接收波束成形问题变化为求解最大的从而使得输出SINR最大,因此:
<mrow>
<msup>
<mover>
<mi>v</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
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</msup>
<mo>=</mo>
<msup>
<mi>&lambda;</mi>
<mrow>
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<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
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<msub>
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<mrow>
<mi>m</mi>
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<mi>x</mi>
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<mo>&lsqb;</mo>
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<mn>1</mn>
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<mi>h</mi>
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</mrow>
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<mo>+</mo>
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<mi>&beta;</mi>
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<mrow>
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<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
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</mrow>
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</mrow>
<mo>&rsqb;</mo>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中,D为:
<mrow>
<mi>D</mi>
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<mrow>
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<mn>1</mn>
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<mrow>
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<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
<mi>t</mi>
<mo>&NotEqual;</mo>
<mi>i</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>q</mi>
<mo>=</mo>
<mi>K</mi>
<mo>,</mo>
<mi>t</mi>
<mo>=</mo>
<mi>C</mi>
</mrow>
</munderover>
<mrow>
<mo>&lsqb;</mo>
<mrow>
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<mrow>
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<mo>,</mo>
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</mrow>
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<mo>+</mo>
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<mi>&alpha;</mi>
<mi>i</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>q</mi>
<mo>,</mo>
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</mrow>
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<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
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<mo>=</mo>
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<mi>K</mi>
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<mi>i</mi>
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<mrow>
<mo>&lsqb;</mo>
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<mo>^</mo>
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<mi>h</mi>
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<mi>i</mi>
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<mo>+</mo>
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<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msubsup>
</mrow>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<msup>
<mi>&lambda;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
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</mrow>
</msup>
<mrow>
<mo>&lsqb;</mo>
<mrow>
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<mi>&alpha;</mi>
<mi>i</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
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<mo>+</mo>
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<mo>(</mo>
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<mover>
<mi>h</mi>
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</mover>
<mi>i</mi>
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<mo>(</mo>
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</mrow>
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</mrow>
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<mover>
<mi>h</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mi>i</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msubsup>
</mrow>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
</mrow>
至此,获得了上行链接收路波束成形问题的求解算法;
步骤3、将上行链路波束成形解转换到下行链路波束成形解;
下行链路最优发送波束成形v*(k,i)与对偶上行链路最优接收波束成形满足如下关系:
<mrow>
<msup>
<mi>v</mi>
<mrow>
<mo>*</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
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</mrow>
</mrow>
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<mo>=</mo>
<msup>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
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<mo>^</mo>
</mover>
<mrow>
<mo>*</mo>
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<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
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</mrow>
</msup>
<mo>,</mo>
<mrow>
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<mi>&mu;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msup>
<mo>></mo>
<mn>0</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>,</mo>
</mrow>
上式表明,v*(k,i)与为线性关系,若获得μ(k,i),则即可获得原下行波束成形问题的解;下面来求解获得μ(k,i)同理,下行波束成形问题获得最优值时,其约束条件等号成立,将SINR代入到上式中,并且取等式,得到:
<mrow>
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mrow>
<mo>|</mo>
<msubsup>
<mover>
<mi>h</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mi>i</mi>
<mrow>
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<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
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</mrow>
</msubsup>
<msup>
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<mi>v</mi>
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</mover>
<mrow>
<mo>*</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
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</mrow>
</mrow>
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<msup>
<mo>|</mo>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
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<mi>i</mi>
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<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
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</mrow>
</msubsup>
<mo>|</mo>
<mo>|</mo>
<msup>
<mover>
<mi>v</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mrow>
<mo>*</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</msup>
<mo>|</mo>
<msubsup>
<mo>|</mo>
<mn>2</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msup>
<mi>&mu;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msup>
<mo>-</mo>
</mrow>
</mtd>
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<mtr>
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<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mrow>
<munderover>
<munder>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mo>=</mo>
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</mrow>
</munder>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mo>&NotEqual;</mo>
<mi>k</mi>
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<mi>i</mi>
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<mi>i</mi>
<mrow>
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<mo>,</mo>
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</mover>
<mrow>
<mo>*</mo>
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<mi>l</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
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</mrow>
</mrow>
</msup>
<msup>
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<mn>2</mn>
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<mo>+</mo>
<munderover>
<munder>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</munder>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mo>&NotEqual;</mo>
<mi>k</mi>
</mrow>
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<mi>K</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
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<mi>v</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mrow>
<mo>*</mo>
<mrow>
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<mi>l</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</msup>
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<msubsup>
<mo>|</mo>
<mn>2</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<msubsup>
<mi>&alpha;</mi>
<mi>i</mi>
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<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
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</mrow>
</msubsup>
</mrow>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msup>
<mi>&mu;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msup>
<mo>=</mo>
<msup>
<mi>&epsiv;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msup>
<mo>+</mo>
<msup>
<mi>&sigma;</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mo>&ForAll;</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
<mo>,</mo>
</mrow>
把上述C×K个等式组成的线性方程组写成由C个矩阵等式组成的线性方程组形式:
<mfenced open = "" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>B</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<msub>
<mi>u</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>g</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mo>&ForAll;</mo>
<mi>i</mi>
<mo>,</mo>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
其中定义分别如下:
<mrow>
<msub>
<mrow>
<mo>&lsqb;</mo>
<msub>
<mi>B</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>,</mo>
<mi>n</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mo>|</mo>
<msubsup>
<mover>
<mi>h</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mi>i</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>m</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msubsup>
<msup>
<mover>
<mi>v</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msup>
<msup>
<mo>|</mo>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>&beta;</mi>
<mi>i</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>m</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msubsup>
<mo>|</mo>
<mo>|</mo>
<msup>
<mover>
<mi>v</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>m</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msup>
<mo>|</mo>
<msubsup>
<mo>|</mo>
<mn>2</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>=</mo>
<mi>n</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<munderover>
<munder>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</munder>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mo>&NotEqual;</mo>
<mi>k</mi>
</mrow>
<mi>K</mi>
</munderover>
<mo>|</mo>
<msubsup>
<mover>
<mi>h</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mi>i</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>m</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msubsup>
<msup>
<mover>
<mi>v</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>n</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msup>
<msup>
<mo>|</mo>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<munderover>
<munder>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</munder>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mo>&NotEqual;</mo>
<mi>k</mi>
</mrow>
<mi>K</mi>
</munderover>
<mo>|</mo>
<mo>|</mo>
<msup>
<mover>
<mi>v</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>m</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msup>
<mo>|</mo>
<msubsup>
<mo>|</mo>
<mn>2</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<msubsup>
<mi>&alpha;</mi>
<mi>i</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>m</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msubsup>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>&NotEqual;</mo>
<mi>n</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>,</mo>
</mrow>
gi=[(ε(1,i)+σ2)T,...,(ε(K,i)+σ2)T]T,
ui=[(u(1,i))T,...,(u(K,i))T]T,
因此:
<mfenced open = "" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>&mu;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>B</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msup>
<msub>
<mi>g</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mo>&ForAll;</mo>
<mi>i</mi>
<mo>.</mo>
</mrow>
</mtd>
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</mtable>
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