CN106549697A - 协作通信系统中联合波束赋形和天线选择的发射方案 - Google Patents

Abstract

本发明涉及协作通信系统中联合波束赋形和天线选择的发射方案，属于LTE‑A系统下的协作波束赋形技术领域。该方案本具体实现为初始化发射天线选择矩阵以及预编码矢量；通过解决最大能量效率的非凸优化问题，获得新的预编码矢量；在比较新预编码矢量元素基础上，更新用户发射天线的选择矩阵，经多次迭代收敛，最终得到系统的天线选择矩阵和其对应的最优化波束赋形预编码矢量。发明旨在提高基站的能耗效率，针对最大化能量效率的预编码矢量设计方法，设计出在发射天线不确定的情况下，获得系统性能的最优解，从而符合C‑RAN无线网络架构的节能减排的设计宗旨。

Description

协作通信系统中联合波束赋形和天线选择的发射方案

技术领域

本发明属于LTE-A系统下的协作波束赋形领域，涉及协作通信系统的中波束赋形预编码矢量设计和天线选择方案，尤其涉及在C-RAN环境下的协作波束赋形(CoordinatedScheduling/Coordinated Beam-forming,CS/CB)模式中关于波束赋形设计的方法。

背景技术

由于移动通信的现实需求，绿色云架构无线接入网(C-RAN)应运而生。C-RAN系统的设计过程中，多点协作传输技术(Coordinated Multi-Point transmission,CoMP)一直被视为提升系统频谱效率和边缘用户吞吐量的关键技术，受到了广泛的关注和研究。CoMP技术的一种实现形式是：基站间共享协作用户的信道信息，通过干扰协调的方法，实现多个基站间协作用户的干扰抑制。

传统波束赋形方法利用小间距的天线阵元间强相关性，形成指向用户方向的天线波束。目前研究的波束赋形方法，不再局限于将天线阵列形成的波束主瓣指向用户，而是通过发射端的预编码波束赋形算法设计，实现用户间干扰的抑制。工程上常用的波束赋形方法主要包括EBB(特征分解赋形算法)和GOB(固定波束赋形算法)，基于基站功率限制和能量效率的波束赋形设计一直是研究的热点。

发送天线模式选择不仅能提升下行用户传输性能，还可以抑制其他用户干扰信号对吞吐量的影响。在协作模式的天线选择中，对于一些用户信道太差，以及对其他用户造成严重干扰的天线端口，应该选择让其处于关闭状态。很多研究将天线选择和预编码技术进行联合优化，以获得最大通信传输容量。该联合优化的方法在确定最优传输天线的同时，还需确定最优的预编码策略。由于传输天线的选择和预编码策略之间相互影响，所以需要多次迭代以实现全局最优。

文献“Distributed Energy-Efficient Design for Coordinated MulticellDownlink Transmission”主要针对分布式结构的无线接入网，通过不等式放缩将非凸问题变为服务小区独自处理的凸优化问题，其中每次迭代需要解决一个几何规划(GP)问题和一个二阶锥规划问题(SOCP)。

分布式多小区多用户波束成形方法、发射机以及相关系统(CN 103634036A)利用各个发射机彼此间的干扰矩阵对本小区在各个子信道上待发送给各个用户的数据所对应的波束成形向量进行迭代运算，该方法是基于传输速率最大化进行设计。一种多小区MIMO系统中能效优先的干扰对准方法(CN 103297103 A)通过干扰对准的算法将干扰信号对准到同一个空间并消除，根据能效最优准则获得功率分配。

已有的这些方法，虽然有很多考虑到了未来绿色无线接入网以能效最优为目标，但是并未将天线选择和波束赋形矢量设计方法结合。天线选择的方法可以在最优化过程中，将对其他用户造成严重干扰的天线端口关闭，能够获得更高的系统能效性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种协作通信系统中联合波束赋形和天线选择的发射方案，在算法中加入一个天线选择矩阵，作为对基站发射天线的选择。通过解决基于能量效率的预编码设计问题，每次迭代获得新的预编码矢量。在新得到的预编码矢量基础上，判定基站的某一个发射天线的开启或关闭状态，并更新天线选择矩阵。经过多次迭代获得最优的波束赋形预编码矢量。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种协作通信系统中联合波束赋形和天线选择的发射方案，包括以下步骤：

1)初始化每个协作用户的发射天线选择矩阵和预编码矩阵，并计算初始化能量效率值；

2)通过解决最大能量效率的非凸优化问题，获得新的预编码矢量；

3)根据新预编码矢量判定基站端的发射天线所处状态，更新用户的发射天线选择矩阵；

4)经多次迭代至收敛，得到系统的天线选择矩阵和其对应的最优化波束赋形预编码矢量。

进一步的，在进行初始化操作之前基站池要获取协作用户的下行信道状态信息H_l,m,n代表第l个基站到第m个基站内第n个用户的信道矩阵；Nr表示协作用户根接收天线数量，Nt表示基站的发射天线数量。

进一步的，设定基站m内的第n个用户的发射天线选择矩阵为S_m,n，将其初始化且其中，a_k＝1表示基站m的第k根天线被开启，a_k＝0表示该天线被关闭；初始状态下，默认设置天线全部处于开启状态，所以矩阵是一个单位阵；设定天线选择阈值ζ，作为判定天线状态阈值。

进一步的，设定基站m内的第n个用户的预编码矩阵为W_m,n∈C^K×1，对其初始化其中P_m为基站的最大发射功率为，每个基站有N个协作用户调度在同一时频资源上，初始化能量效率值为：

进一步的，解决基于能量效率最大化的预编码设计问题，求解目标函数：

其中，α_m,n表示基站m内用户n的优先权值，P_mo表示基站m的基本电路消耗功率，P_c表示每根天线开启状态下的功率消耗，表示基站m内用户n的噪声功率；求得满足最优解的新预编码矢量

进一步的，更新发射天线选择矩阵的具体方法为：遍历的K个元素，取最大模值元素并对预编码矢量进行归一化处理，得到归一化的预编码矢量若归一化矩阵中第k(1toK)个元素模值小于阈值ζ，表示该天线对其他小区用户干扰较大或对本小区用户增益较小，则对应的天线选择矩阵中的第k个对角元素关闭该天线，否则不变；其中第k个元素表示第k根天线分配的功率和天线的最大分配功率之比。

进一步的，判断迭代是否收敛的方法为：在获得新的预编码矢量天线选择矩阵后，再次计算系统的能量效率判断算法是否收敛；设定收敛条件如果满足收敛，则退出迭代，获得最优的天线选择矩阵预编码矢量否则，再次初始化天线选择矩阵预编码矢量

本发明的有益效果在于：本发明可以有效提高基站的能耗效率，针对最大化能量效率的预编码矢量设计方法，设计出在发射天线不确定的情况下，获得系统性能的最优解，从而符合C-RAN无线网络架构的节能减排的设计宗旨。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为协作通信系统波束赋形模式示意图；

图2为CoMP系统中联合波束赋形和天线选择的发射方案流程图；

图3为平均能量效率对比图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为协作通信系统波束赋形模式示意图，图2为CoMP系统中联合波束赋形和天线选择的发射方案流程图，结合图1和图2说明具体实施方式，适用场景包括现有的LTE-A系统下，以及未来新一代绿色无线接入网架构C-RAN。

本发明协作通信系统中联合波束赋形和天线选择的发射方案，包括以下步骤：

步骤1、基站池获取协作用户的下行信道状态信息H_l,m,n表示基站l到基站m中第个n用户的信道矩阵，假设协作用户有N_r＝1根接收天线，基站有N_t＝8根发射天线。

步骤2、设定天线选择阈值ζ，初始化基站m内用户n的天线选择矩阵假设所有发射天线都处于开启状态，则天线选择矩阵的对角元素都为1，即

步骤3、根据公式对基站m内用户n的预编码矢量初始化，其中假设基站的最大发射功率P_m，每个基站有N个协作用户调度在同一时频资源上。设定迭代停止条件φ，计算初始系统能量效率GEE⁰。

步骤4、定义能量效率的目标函数为

其中，α_m,n表示基站m内用户n的优先权值，P_mo表示基站m的基本电路消耗功率，P_c表示每根天线开启状态下的功率消耗，表示基站m内用户n的噪声功率。进一步解决基于能量效率的问题，可以将分式的目标函数改写为：

其拉格朗日形式可以表示为：

其中λ_m为非负的拉格朗日因子，由KKT条件可以得知取得最优解值时，满足以下条件:

定义基站m内用户n的信干噪比：

定义基站m内用户n的同信道干扰：

定义泄露矩阵：

由得：

定义可以证明公式(4)成立的条件为：

条件1：T_m,n(λ_m)W_m,n＝0，H_m,m,nS_m,nW_m,n＝0

条件2：W_m,n≠0，

分析条件1，非零的波束向量S_m,nW_m,n与信道矩阵正交H_m,m,n，通过设置W_m,n＝0使得能量效率目标函数非增，此时目标函数失去了最优性，所以条件1得到的非零解应该舍弃。如果条件2成立，则波束赋形矢量的解形式可以表示为：

将公式(5)代入公式(4)求解得到：

将公式(5)和(6)代入KKT条件松弛约束(b)和(d)，联合可以求解拉格朗日因子λ_m：

通过二分法搜索求解公式(7)，具体求解过程如下：

1、初始为一个大于零的正值，搜索次数限制ψ，n＝0；

2、将代入如果则向下搜索否则向上搜索

3、如果在允许精度范围内实现则输出结果或者n＞ψ，则输出结果λ_m＝0。否则n＝n+1，跳至第2步；

求解得到{λ_m}后，代入公式(5)可以得到满足最优解的预编码矢量

如果存在λ_m＞0该值是唯一解，否则λ_m＝0满足KKT条件的松弛约束，表明基站m未分配所有的功率用于信号传输。

可以证明得到式(7)中的f(λ_m)是非负的、λ_m＞0的非增函数，而且当f(λ_m)＞0时，f(λ_m)是λ_m＞0的严格递减函数。

步骤5、获得最大能量效率条件下的最优解预编码矢量(该矢量中有8个元素)后。假设寻找到该矢量中模值最大的元素为并利用该元素对预编码矢量进行归一化处理。得到归一化后的预编码矢量

步骤6、初始化新的天线选择矩阵比较归一化预编码矢量中的8个元素的模值，如果第k(1to8)个元素的模值小于设定阈值ζ，则相对应的天线选择矩阵中第k个对角元素值变为零，表示天线处于关闭状态。

步骤7、判定迭代停止条件，如果满足迭代停止条件则跳至步骤8；否则更新所有用户对应的天线选择矩阵预编码矢量能量效率GEE⁰＝GEE¹，返回步骤4。

步骤8、退出迭代，获得最终的天线选择模式波束赋形预编码矢量

图3是本发明方法和其他方法的对比，参数设置如下：小区数为7，小区半径1Km，每个小区服务4个用户。每个协作基站有8根发射天线，每个协作用户有1根接收天线。基站的基本电路消耗功率为40dBm，基站每根天线开启状态时消耗功率为30dBm，噪声功率为-76dBm。信道模型其中小尺度衰落信道，大尺度衰落因子10log₁₀(θ_l,m,n)＝-38log₁₀(d_l,m,n)-34.5+μ_l,m,n，阴影衰落μ_l,m,n服从分布均值为零，方差为8dB的高斯分布。迭代停止条件φ＝10^-4，天线选择阈值ζ＝1/2，二分法搜索次数限制ψ＝6。对比的方法中基于能量效率的预编码矢量设计方法，是指为不结合天线选择，直接求解能量效率最优的预编码设计方法。功率平均分配的迫零预编码设计方法，是指基站发射功率平均分配到用户的天线端口，预编码采用迫零预编码产生。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种协作通信系统中联合波束赋形和天线选择的发射方案，其特征在于，包括以下步骤：

1)初始化每个协作用户的发射天线选择矩阵和预编码矩阵，并计算初始化能量效率值；

2)通过解决最大能量效率的非凸优化问题，获得新的预编码矢量；

3)根据新预编码矢量判定基站端的发射天线所处状态，更新用户的发射天线选择矩阵；

4)经多次迭代至收敛，得到系统的天线选择矩阵和其对应的最优化波束赋形预编码矢量。

2.根据权利要求1所述的协作通信系统中联合波束赋形和天线选择的发射方案，其特征在于：在进行初始化操作之前基站池要获取协作用户的下行信道状态信息H_l,m,n代表第l个基站到第m个基站内第n个用户的信道矩阵；Nr表示协作用户根接收天线数量，Nt表示基站的发射天线数量。

3.根据权利要求2所述的协作通信系统中联合波束赋形和天线选择的发射方案，其特征在于：设定基站m内的第n个用户的发射天线选择矩阵为S_m,n，将其初始化且其中，a_k＝1表示基站m的第k根天线被开启，a_k＝0表示该天线被关闭；初始状态下，默认设置天线全部处于开启状态，所以矩阵是一个单位阵；设定天线选择阈值ζ，作为判定天线状态阈值。

4.根据权利要求3所述的协作通信系统中联合波束赋形和天线选择的发射方案，其特征在于：设定基站m内的第n个用户的预编码矩阵为W_m,n∈C^K×1，对其初始化其中P_m为基站的最大发射功率为，每个基站有N个协作用户调度在同一时频资源上，初始化能量效率值为：

5.根据权利要求4所述的协作通信系统中联合波束赋形和天线选择的发射方案，其特征在于：解决基于能量效率最大化的预编码设计问题，求解目标函数：

$\underset{W_{m,n}}{\max }GEE\left(W_{m,n}^0,S_{m,n}^0\right)=\frac{\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{m,n}\log \left(1+\frac{\left|\right|H_{m,m,n}{S}_{m,n}{W}_{m,n}|{|}^2}{\underset{\left(i,j\right)\≠\left(m,n\right)}{\mathrm{\Σ}}\left|\right|H_{i,m,n}{S}_{i,j}{W}_{i,j}|{|}^2+{\mathrm{\σ}}_{m,n}^2}\right)}{\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\[P_{mo}+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\left(tr\left(S_{m,n}\right)P_c+\left|\right|S_{m,n}{W}_{m,n}|{|}^2\right)\]}$

$s.t.\underset{n}{\Σ}\left|\right|S_{m,n}{W}_{m,n}|{|}^2\≤P_m$

其中，α_m,n表示基站m内用户n的优先权值，P_mo表示基站m的基本电路消耗功率，P_c表示每根天线开启状态下的功率消耗，表示基站m内用户n的噪声功率；求得满足最优解的新预编码矢量

6.根据权利要求5所述的协作通信系统中联合波束赋形和天线选择的发射方案，其特征在于，更新发射天线选择矩阵的具体方法为：遍历的K个元素，取最大模值元素并对预编码矢量进行归一化处理，得到归一化的预编码矢量若归一化矩阵中第k(1 to K)个元素模值小于阈值ζ，表示该天线对其他小区用户干扰较大或对本小区用户增益较小，则对应的天线选择矩阵中的第k个对角元素关闭该天线，否则不变；其中第k个元素表示第k根天线分配的功率和天线的最大分配功率之比。

7.根据权利要求6所述的协作通信系统中联合波束赋形和天线选择的发射方案，其特征在于：判断迭代是否收敛的方法为：在获得新的预编码矢量天线选择矩阵后，再次计算系统的能量效率判断算法是否收敛；设定收敛条件如果满足收敛，则退出迭代，获得最优的天线选择矩阵预编码矢量否则，再次初始化天线选择矩阵预编码矢量